技术领域
[0001] 本
发明涉及生物分子的标记和检测领域，尤其是涉及一种磁标记
生物传感器、其制备方法以及检测方法。
背景技术
[0002] 生物传感器一般包括两部分：一是能够特异性识别待测分子的生物探针；二是能将生物
信号转换为光、电、磁等物理信号的换能器。一般来说，生物分子自身的光、电、磁特性十分微弱，所以在待测分子的检测过程中需要辅助光、磁等敏感材料，即进行标记，才能相对容易地检测到待测分子。其中，磁标记技术是近年来国内外研究比较热
门的一种新的免疫学技术，是表面结合有单克隆
抗体的
磁性微球。
[0003] 由于
磁场探测技术的限制，磁标记生物传感器刚开始并没有引起人们的重视。随着磁
电阻效应的发展，霍尔效应(Hall effect)、
各向异性磁电阻效应(AMR)、
巨磁电阻效应(GMR)、隧穿磁电阻效应(TMR)、巨磁阻抗效应(GMI)的出现使得磁场探测的
精度越来越高，-12目前已经可以探测到10 T。而且，磁标记技术也日益成熟。因此，把成熟的磁标记技术与磁场探测技术结合起来，形成的磁标记生物传感器越来越受到人们的重视，逐渐拥有了广阔的应用前景。
[0004] 图1给出了现有的磁标记生物传感器的结构及其检测流程。如图1所示，现有的磁标记生物传感器包括
磁传感器层1、保护层2和生物探针固定层3。其中，生物探针固定层3用于固定生物探针4；保护层3用于防止液体等对磁传感器2的
腐蚀；磁传感器层2用于探测磁标记的生物分子5。目前，利用磁标记生物传感器的检测方法为：(1)首先在生物探针固定层3表面通过化学偶联方法固定生物探针4；(2)通过免疫应答反应使目标分子5与生物探针4结合；(3)采用磁性微粒6对目标分子5进行标记。
[0005] 待检测完毕后，目前采用梯度磁场的方法分离图1中的生物探针4以及已标记的磁性微粒6，使该磁标记生物传感器芯片能够重复利用。但是，由于生物探针4与生物探针固定层3间存在结合
力，目标分子5与生物探针4间存在结合力，磁性微粒6与目标分子5间也存在结合力，因此仅仅依靠梯度磁场的方法不能有效地清除磁标记生物传感器芯片表面的生物探针4及磁性微球6，从而影响了磁标记生物传感器芯片的重复利用。
发明内容
[0006] 本发明的技术目的是针对上述
现有技术的不足，提供一种磁标记生物传感器，该磁标记生物传感器能够保持现有结构的磁标记生物传感器的检测精度，而且当检测完毕后，能够完全清除表面的生物探针及磁性微球，从而保证磁标记生物传感器芯片能够重复利用。
[0007] 本发明实现上述技术目的所采用的技术方案为：一种磁标记生物传感器，包括用于检测目标分子的磁传感器层，位于磁传感器层表面、用于防止磁传感器受到腐蚀的保护层，以及位于保护层表面、用于固定生物探针的生物探针固定层；其中，生物探针固定层由导电层，位于导电层表面的绝缘层，以及供电装置构成；所述的绝缘层表面嵌入着多个导电单元，每个导电单元与导电层形成电连接，所述的多个导电单元形成导电单元阵列；当供电装置为该生物探针固定层供电时，经磁标记的生物探针被固定
吸附在该导电单元阵列表面。
[0008] 上述技术方案中：
[0009] 所述的导电单元由导电材料或者软磁性材料构成；
[0010] 所述的导电材料包括但不限于铂、金、
钛、钨、钽、
铝、
铜或者
银，所述的软磁性材料包括但不限于
铁、镍或者钴；
[0011] 所述的导电单元阵列是由所述的多个导电单元以一定的图形规则排列而形成的，该导电单元阵列形成的阵列图形包括但不限于圆形、方形、长方形或者三
角形；
[0012] 所述的导电单元的直径优选为10nm～100μm，厚度优选为5nm～1μm；
[0013] 所述的导电层可以包括但不限于铂、金、钛、钨、钽、铝、铜、银、铁、镍或者钴中的一种或者几种构成的
薄膜，其厚度优选为5nm～1μm；
[0014] 所述的绝缘层可以为Si3N4薄膜、SiO2薄膜、Al2O3薄膜、类金刚石薄膜、有机绝缘高分子薄膜，厚度优选为5nm～1μm；
[0015] 所述的保护层可以是Si3N4薄膜、SiO2薄膜、Al2O3薄膜、类金刚石薄膜、有机绝缘高分子薄膜，其厚度优选为5nm～1μm；
[0016] 所述的磁传感器层可以是基于霍尔效应(Hall effect)、各向异性磁电阻效应(AMR)、巨磁电阻效应(GMR)、隧穿磁电阻效应(TMR)以及巨磁阻抗效应(GMI)的磁传感器中的任意一种。
[0017] 本发明磁标记生物传感器的制备方法包括磁传感器层的制备、保护层的制备以及生物探针固定层的制备，其中磁传感器层的制备方法与保护层的制备方法与现有技术相同，生物探针固定层的制备方法为：
[0018] 步骤1：采用磁控
溅射法、热
蒸发法、
电子束蒸发法或者
脉冲激光沉积法制备磁传感器层，然后采用
磁控溅射法、热蒸发法、
电子束蒸发法或者脉冲激光沉积法在磁传感器层表面制备保护层；
[0019] 步骤2：采用磁控溅射法、热蒸发法或者电子束蒸发法在保护层表面制备导电层；
[0020] 步骤3：采用磁控溅射法、热蒸发法、电子束蒸发法或者脉冲激光沉积法在导电层表面制备绝缘层；
[0021] 步骤4：首先，在绝缘层表面滴加紫外光抗蚀剂构成牺牲层，利用紫外曝光技术在牺牲层上得到阵列图形；或者，
[0022] 在绝缘层表面滴加电子束抗蚀剂构成牺牲层，利用
电子束曝光技术在牺牲层上得到阵列图形；或者，
[0023] 在绝缘层表面滴加离子束抗蚀剂构成牺牲层，利用离子束曝光技术在牺牲层上得到阵列图形；或者，
[0024] 在绝缘层表面滴加柔性压印剂构成牺牲层，利用子
纳米压痕技术在牺牲层上得到阵列图形；
[0025] 然后，使用显影或者反应离子
刻蚀的方法去除所述的阵列图形
位置处的牺牲层；
[0026] 步骤5：采用化学湿刻法、离子束刻蚀法或者电子束刻蚀法在步骤4得到的结构表面进行刻蚀，使绝缘层表面刻蚀形成凹陷阵列，并且所述的每个凹陷与导电层相连通；
[0027] 步骤6：采用磁控溅射法、热蒸发法、电子束蒸发法或者脉冲激光沉积法在步骤5得到的结构表面沉积导电薄膜，所述的导电薄膜在每个凹陷位置处形成导电单元，凹陷阵列的整个导电单元形成导电单元阵列；
[0028] 步骤7：采用去胶剂去除绝缘层表面残余的牺牲层及其上面的导电薄膜。
[0029] 上述制备方法中：
[0030] 所述的紫外光抗蚀剂包括但不限于酚
醛清漆类
光刻胶和SU-8胶；电子束抗蚀剂包括但不限于PMMA、ZEP-520、ma-N2400、EBR-9、PBS和COP；离子束抗蚀剂包括但不限于PMMA、ZEP-520、ma-N2400、EBR-9、PBS和COP；柔性压印剂包括但不限于PS、PMMA和HSQ；
[0031] 所述的导电薄膜优选是铂、金、钛、钨、钽、铝、铜、银、铁、镍、钴中的一种或者几种构成的薄膜。
[0032] 使用本发明磁标记生物传感器进行目标分子检测的方法有两种。
[0033] 第一种检测方法具体包括如下步骤：
[0034] 步骤1：采用磁性微粒对生物探针进行磁标记；
[0035] 步骤2：通过供电装置给生物探针固定层供电；
[0036] 步骤3：采用微
流管技术或直接滴加的方式将步骤1中磁标记的生物探针覆于生物探针固定层表面，经导电单元阵列的
电流产生磁场从而吸引磁标记的生物探针，磁标记的生物探针被固定在导电单元阵列表面，通过清洗去除其余的生物探针；
[0037] 步骤4：采用微流管技术或直接滴加的方式提供目标分子，目标分子通过免疫应答反应与生物探针相连接；
[0038] 步骤5：滴加磁性微粒对目标分子进行磁标记，通过磁传感器层检测磁标记从而识别目标分子；
[0039] 步骤6：检测完毕后，停止对生物探针固定层供电，磁标记的生物探针将脱离导电单元阵列表面，通过清洗清除该磁标记的生物探针。
[0040] 第二种检测方法具体包括如下步骤：
[0041] 步骤1：采用磁性微粒对生物探针进行磁标记；
[0042] 步骤2：通过供电装置给生物探针固定层供电；
[0043] 步骤3：采用微流管技术或直接滴加的方式将步骤1中磁标记的生物探针覆于生物探针固定层表面，经导电单元阵列的电流产生磁场从而吸引磁标记的生物探针，磁标记的生物探针被固定在导电单元阵列表面，通过清洗去除其余的生物探针；
[0044] 步骤4：配置固定浓度的目标分子溶液，并对其中的目标分子进行磁标记，作为磁标记的竞争型目标分子；
[0045] 步骤5：滴加目标分子以及步骤4中配置的磁标记的竞争型目标分子，此时，目标分子与磁标记的竞争型目标分子竞争生物探针的位置，目标分子浓度越高，其竞争力越强，由此导致磁标记的竞争型目标分子与生物探针的结合越少，输出相应发生改变，达到检测目标分子的目的；
[0046] 步骤6：检测完毕后，停止对生物探针固定层供电，磁标记的生物探针将脱离导电单元阵列表面，通过清洗清除该磁标记的生物探针。
[0047] 综上所述，本发明提供了一种磁标记生物传感器、其制备方法以及使用该磁标记生物传感器检测目标分子的方法。与现有技术相比，本发明的磁标记生物传感器的生物探针固定层采用在绝缘层表面嵌入呈阵列分布的导电单元，该导电单元与导电层形成电连接，当供电装置提供电流时，电流经导电单元阵列产生磁场从而吸引磁标记的生物探针，使其固定在导电单元阵列表面，而绝缘层表面其余部分的生物探针被清洗处理；当检测完毕后，只需切断供电装置对该生物探针固定层的供电，固定在导电单元阵列表面的磁标记生物探针将即刻脱离，然后通过清洗处理便能够彻底清除该磁标记的生物探针。因此，本发明的磁标记生物传感器一方面避免了现有技术采用化学偶联方法固定生物探针所产生的检测完毕后不能有效清除磁标记的生物探针，从而影响磁标记生物传感器芯片重复利用的问题，另一方面仍然能够保持现有结构的磁标记生物传感器的检测精度，是一种结构简单、使用方便、可重复利用的新型磁标记生物传感器，具有潜在的应用价值。
附图说明
[0048] 图1是现有的磁标记生物传感器的结构及检测流程；
[0049] 图2(a)是本发明磁标记生物传感器的侧面结构示意图；
[0050] 图2(b)是本发明磁标记生物传感器的俯视图；
[0051] 图3是基于本发明磁标记生物传感器结构的一种检测方法
流程图；
[0052] 图4是基于本发明磁标记生物传感器结构的另一种检测方法流程图。
具体实施方式
[0053] 以下结合附图
实施例对本发明作进一步详细描述。
[0054] 图1至图4中的附图标记为：传感器层1、保护层2、生物探针固定层3、生物探针4、目标分子5、磁性微粒6、导电层7、绝缘层8、导电单元9、电源引线10、磁标记的竞争目标分子11。
[0055] 图2(a)是本发明磁标记生物传感器的侧面结构示意图，图2(b)是本发明磁标记生物传感器的俯视图。从图中可以看出，磁标记生物传感器包括磁传感器层1，保护层2和生物探针固定层3。其中，传感器层1用于检测目标分子5，保护层2用于防止磁传感器层1受到液体等腐蚀，生物探针固定层3用于固定生物探针4。生物探针固定层3由导电层7和绝缘层8构成，绝缘层8表面嵌入着多个导电单元9，每个导电单元9与导电层7相
接触形成电连接，多个导电单元9规则分布，形成导电单元阵列。该生物探针固定层3的导电层
7还与供电装置相连通，供电装置为生物探针固定层3提供电源，电源引线10自导电层7引出。
[0056] 由图2(b)本实施例中，可以清楚地看到导电单元9呈圆柱形，其分布形成4×4的方形阵列，该圆柱形导电单元9的直径为10nm～100μm，厚度为5nm～1μm。
[0057] 另外，本实施例中导电单元9由导电材料铜构成；磁传感器层1是基于各向异性磁电阻效应的磁传感器层；保护层2选用Si3N4薄膜，厚度为10nm～100nm；导电层7选用铜薄膜，其厚度为5nm～1μm；绝缘层8选用SiO2薄膜，厚度为5nm～1μm。
[0058] 需要指出的是，本发明中导电单元9呈规则分布，形成导电单元阵列，该导电单元阵列形成的阵列图形并不局限于本实施例中所示的方形，还包括但不限于圆形、长方形、三角形或平行四边形等；导电单元9可以由导电材料或者软磁性材料构成，其中，导电材料包括但不限于铂、金、钛、钨、钽、铝、铜或者银；软磁性材料包括但不限于铁、镍或者钴；磁传感器层1可以是基于霍尔效应(Hall effect)、各向异性磁电阻效应(AMR)、巨磁电阻效应(GMR)、隧穿磁电阻效应(TMR)以及巨磁阻抗效应(GMI)的磁传感器中的任意一种；保护层2可以是Si3N4薄膜、SiO2薄膜、Al2O3薄膜、类金刚石薄膜、有机绝缘高分子薄膜，其厚度为
5nm～1μm；导电层7可以是铂、金、钛、钨、钽、铝、铜、银、铁、镍或者钴中的一种或者几种构成的薄膜，其厚度优选为5nm～1μm；绝缘层8可以是Si3N4薄膜、SiO2薄膜、Al2O3薄膜、类金刚石薄膜、有机绝缘高分子薄膜，厚度优选为5nm～1μm。
[0059] 上述磁标记生物传感器的制备过程包括制备磁传感器层1、制备保护层2以及制备生物探针固定层3，其中磁传感器层1与保护层2的制备方法与现有技术相同。具体的第一种制备方法如下：
[0060] 步骤1：在Ar气压为1.0Pa，溅射功率为120W的条件下，采用直流磁控溅射法制备100nm厚的的Ni80Fe20薄膜作为磁传感器层1，然后在Ar与N2气体体积比为1∶3，气压为
0.6Pa，溅射功率为80W，沉积
温度为120度的条件下，采用射频磁控溅射法、在磁传感器层1表面制备厚度为80nm的Si3N4薄膜，形成保护层2；
[0061] 步骤2：在Ar气压为1.0Pa，溅射功率为60W的条件下，采用直流磁控溅射法在保护层2表面制备厚度为20nm的金薄膜，形成导电层7；
[0062] 步骤3：在Ar与O2气体体积比为1∶2，气压为1.0Pa，溅射功率为100W的条件下，采用射频磁控溅射法在导电层7表面制备厚度为100nm的SiO2薄膜，形成绝缘层8；
[0063] 步骤4：采用甩胶的方法在绝缘层8表面
旋涂Clariant公司的酚醛清漆类紫外光刻胶AZ9260构成牺牲层，然后利用紫外曝光技术在牺牲层上得到边长为3μm的4×4方形阵列图形，之后使用显影液，如二
甲苯清洗去除该方形阵列图形位置处的已曝光的紫外光刻胶；
[0064] 步骤5：采用离子束刻蚀法在步骤4得到的结构表面进行刻蚀，使绝缘层8表面刻蚀形成边长为3μm的4×4的凹陷阵列，并且所述的每个凹陷与导电层7相连通；
[0065] 步骤6：采用磁控溅射法在步骤5得到的结构表面沉积50nm厚的金薄膜；在沉积过程中，在每个凹陷处形成导电单元9，凹陷阵列处的整个导电单元9形成导电单元阵列；
[0066] 步骤7：采用去胶剂丙
酮去除绝缘层8表面残余的光刻胶牺牲层及其上面的金薄膜，即得到本实施例中的磁标记生物传感器。
[0067] 上述磁标记生物传感器还可以采用如下第二种方法制备：
[0068] 步骤1至步骤3与上述第一种制备方法中的步骤1至步骤3相同；
[0069] 步骤4：采用甩胶的方法在绝缘层8表面旋涂电子抗蚀剂PMMA构成牺牲层，然后利用电子束曝光技术或离子束曝光技术在牺牲层上得到边长为3μm的4×4的方形阵列图形，之后使用显影液MIBK：IPA清洗去除该方形阵列图形位置处的已曝光的电子抗蚀剂；
[0070] 步骤5：采用离子束刻蚀法在步骤4得到的结构表面进行刻蚀，使绝缘层8表面刻蚀形成边长为3μm的4×4的凹陷阵列，并且所述的每个凹陷与导电层7相连通；
[0071] 步骤6：采用磁控溅射法在步骤5得到的结构表面沉积100nm厚的金薄膜；在沉积过程中，在每个凹陷处形成导电单元9，凹陷阵列处的整个导电单元9形成导电单元阵列；
[0072] 步骤7：采用去胶剂二氯甲烷去除绝缘层8表面残余的电子抗蚀剂及其上面的金薄膜，即得到实施例中的磁标记生物传感器。
[0073] 上述磁标记生物传感器还可以采用如下第三种制备方法制备：
[0074] 步骤1至步骤3与上述第二种制备方法中的步骤1至步骤3相同；
[0075] 步骤4：在绝缘层8表面旋涂压印剂PMMA构成牺牲层，然后利用压印技术在牺牲层上得到边长为3μm的4×4的方形阵列图形，之后使用反应离子束刻蚀的方法去除压印部分的PMMA。
[0076] 步骤5至步骤7与上述第二种制备方法中的步骤5至步骤7相同。
[0077] 利用本实施例中的磁标记生物传感器检测目标分子5的检测方法有两种。
[0078] 第一种检测方法具体包括如下步骤：
[0079] 步骤1：采用磁性微粒6对生物探针4进行磁标记；
[0080] 步骤2：通过供电装置给生物探针固定层3供电；
[0081] 步骤3：采用微流管技术或直接滴加的方式将步骤1中磁标记的生物探针4覆于生物探针固定层3表面，经导电单元阵列的电流产生磁场从而吸引磁标记的生物探针4，磁标记的生物探针4被固定在导电单元阵列表面，通过清洗去除其余的生物探针4；
[0082] 步骤4：采用微流管技术或直接滴加的方式提供目标分子5，目标分子通过免疫应答反应与生物探针4相连接；
[0083] 步骤5：滴加磁性微粒6对目标分子5进行磁标记，通过磁传感器层1检测磁标记从而识别目标分子5；
[0084] 步骤6：检测完毕后，停止对生物探针固定层3供电，磁标记的生物探针4将脱离导电单元阵列表面，通过清洗清除该磁标记的生物探针4。
[0085] 第二种检测方法具体包括如下步骤：
[0086] 步骤1：采用磁性微粒6对生物探针4进行磁标记；
[0087] 步骤2：通过供电装置给生物探针固定层3供电；
[0088] 步骤3：采用微流管技术或直接滴加的方式将步骤1中磁标记的生物探针4覆于生物探针固定层3表面，经导电单元阵列的电流产生磁场从而吸引磁标记的生物探针4，磁标记的生物探针4被固定在导电单元阵列表面，通过清洗去除其余的生物探针4；
[0089] 步骤4：配置固定浓度的目标分子溶液，并对其中的目标分子进行磁标记，作为磁标记的竞争型目标分子11；
[0090] 步骤5：滴加目标分子5以及步骤4中配置的磁标记的竞争型目标分子11，此时，目标分子5与磁标记的竞争型目标分子11竞争生物探针4的位置，目标分子5浓度越高，其竞争力越强，由此导致磁标记的竞争型目标分子11与生物探针4的结合越少，输出相应发生改变，达到检测目标分子5的目的；
[0091] 步骤6：检测完毕后，停止对生物探针固定层3供电，磁标记的生物探针4将脱离导电单元阵列表面，通过清洗清除该磁标记的生物探针4。
[0092] 以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何
修改和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
