生物傳感�(biosensor)�(duì)生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信�(hào)�(jìn)行檢�(cè)的儀器。是由固定化的生物敏感材料作�(shí)別元件(包括�、抗體、抗�、微生物、細(xì)�、組�、核酸等生物活性物�(zhì))與適當(dāng)?shù)睦砘瘬Q能器(如氧電��光敏�、場(chǎng)效應(yīng)�、壓�晶體等等)及信號(hào)放大裝置�(gòu)成的分析工具或系�(tǒng)。生物傳感器具有接受器與�(zhuǎn)換器的功能�
�(duì)生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信�(hào)�(jìn)行檢�(cè)的儀�。生物傳感器具有接受器與�(zhuǎn)換器的功能�
1967年S.J.烏普迪克等制出了�(gè)生物傳感器葡萄糖傳感�。將葡萄糖氧化酶包含在聚丙烯酰胺膠體中加以固�,再將此膠體膜固定在隔膜氧電極的�,便制成了葡萄糖傳感�。當(dāng)改用其他的酶或微生物等固化膜,便可制得檢�(cè)其對(duì)�(yīng)物的其他傳感�。固定感受膜的方法有直接化學(xué)�(jié)合法;高分子載體法;高分子膜�(jié)合法?,F(xiàn)已發(fā)展了第二代生物傳感器(微生物、免�、酶免疫和細(xì)胞器傳感器),研制和�(kāi)�(fā)第三代生物傳感器,將生物技�(shù)和電子技�(shù)�(jié)合起�(lái)的場(chǎng)效應(yīng)生物傳感��
生物傳感器由于酶�、線粒體電子傳遞系統(tǒng)粒子�、微生物�、抗原膜、抗體膜�(duì)生物物質(zhì)的分子結(jié)�(gòu)具有選擇性識(shí)別功�,只�(duì)特定反應(yīng)起催化活化作�,因此生物傳感器具有非常高的選擇性。缺�(diǎn)是生物固化膜不穩(wěn)�。生物傳感器涉及的是生物物質(zhì),主要用于臨床診斷檢�、治療時(shí)�(shí)施監(jiān)�、發(fā)酵工�(yè)、食品工�(yè)、環(huán)境和�(jī)器人等方��
生物傳感器是用生物活性材料(�、蛋白質(zhì)、DNA、抗�、抗�、生物膜等)與物理化�(xué)換能器有�(jī)�(jié)合的一門交叉�(xué)科,是發(fā)展生物技�(shù)必不可少的一種先�(jìn)的檢�(cè)方法與監(jiān)控方�,也是物�(zhì)分子水平的快�、微量分析方�。在未來(lái)21世紀(jì)知識(shí)�(jīng)�(jì)�(fā)展中,生物傳感器技�(shù)必將是介于信息和生物技�(shù)之間的新增長(zhǎng)�(diǎn),在�(guó)民經(jīng)�(jì)中的臨床診斷、工�(yè)控制、食品和藥物分析(包括生物藥物研究開(kāi)�(fā)�、環(huán)境保�(hù)以及生物技�(shù)�生物芯片等研究中有著廣泛的應(yīng)用前��
�1)采用固定化生物活性物�(zhì)作催化劑,價(jià)值昂貴的試劑可以重復(fù)多次使用,克服了�(guò)去酶法分析試劑費(fèi)用高和化�(xué)分析繁瑣�(fù)雜的缺點(diǎn)�
?�?)專一性強(qiáng),只�(duì)特定的底物起反應(yīng),而且不受顏色、濁度的影響�
?�?)分析速度快,可以在一分鐘得到�(jié)��
?�?)準(zhǔn)確度高,一般相�(duì)誤差可以�(dá)�1�
?�?)操作系�(tǒng)比較�(jiǎn)� ,容易實(shí)�(xiàn)自動(dòng)分析
?�?)成本低,在連續(xù)使用�(shí),每例測(cè)定僅需要幾分錢人民幣�
?�?)有的生物傳感器能夠可靠地指示微生物培養(yǎng)系統(tǒng)�(nèi)的供氧狀況和副產(chǎn)物的�(chǎn)�。在生產(chǎn)控制中能得到許多�(fù)雜的物理化學(xué)傳感器綜合作用才能獲得的信息。同�(shí)它們還指明了增加產(chǎn)物得率的方向�
?�?)按照其感受器中所采用的生命物�(zhì)分類� 可分為:
微生物傳感器、免疫傳感器、組織傳感器、細(xì)胞傳感器、酶?jìng)鞲衅?、DNA傳感器等�
?�?)按照傳感器器件檢測(cè)的原理分� ,可分為�
熱敏生物傳感�、場(chǎng)效應(yīng)管生物傳感器、壓電生物傳感器、光�(xué)生物傳感�、聲波道生物傳感�、酶電極生物傳感器、介體生物傳感器��
�3)按照生物敏感物�(zhì)相互作用的類型分�� 可分為親和型和代謝型兩種�
生物傳感器是�(duì)生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信�(hào)�(jìn)行檢�(cè)的儀�。生物傳感器具有接受器與�(zhuǎn)換器的功能。由于酶�、線粒體電子傳遞系統(tǒng)粒子�、微生物�、抗原膜、抗體膜�(duì)生物物質(zhì)的分子結(jié)�(gòu)具有選擇性識(shí)別功� ,只�(duì)特定反應(yīng)起催化活化作�,因此生物傳感器具有非常高的選擇�。缺�(diǎn)是生物固化膜不穩(wěn)��
生物傳感器涉及的是生物物�(zhì),主要用于臨床診斷檢�、治療時(shí)�(shí)施監(jiān)�、發(fā)酵工�(yè)、食品工�(yè)、環(huán)境和�(jī)器人等方靀�
生物傳感器是用生物活性材料(�、蛋白質(zhì)、DNA、抗�、抗�、生物膜等)與物理化�(xué)換能器有�(jī)�(jié)合的一門交叉�(xué)�,是�(fā)展生物技�(shù)必不可少的一種先�(jìn)的檢�(cè)方法與監(jiān)控方法,也是物質(zhì)分子水平的快�、微量分析方法。在未來(lái)21世紀(jì)知識(shí)�(jīng)�(jì)�(fā)展中,生物傳感器技�(shù)必將是介于信息和生物技�(shù)之間的新增長(zhǎng)�(diǎn),在�(guó)民經(jīng)�(jì)中的臨床診斷、工�(yè)控制、食品和藥物分析(包括生物藥物研究開(kāi)�(fā)�、環(huán)境保�(hù)以及生物技�(shù)、生物芯片等研究中有著廣泛的�(yīng)用前�。各種生物傳感器有以下共同的�(jié)�(gòu):包括一種或�(shù)種相�(guān)生物活性材料(生物膜)及能把生物活性表�(dá)的信�(hào)�(zhuǎn)換為電信�(hào)的物理或化學(xué)換能器(傳感器),二者組合在一�,用�(xiàn)代微電子和自�(dòng)化儀表技�(shù)�(jìn)行生物信�(hào)的再加工,構(gòu)成各種可以使用的生物傳感器分析裝�、儀器和系統(tǒng)�
引言
1988�,在法國(guó)巴黎大學(xué)物理系Fert教授科研組工作的巴西�(xué)者M(jìn).N.Baibich研究Fe/Cr磁性超晶格薄膜�電子輸運(yùn)性質(zhì)�(shí)�(fā)�(xiàn)了巨磁阻(GMR)效應(yīng),即材料�電阻率隨著材料磁化狀�(tài)的變化而呈�(xiàn)顯著改變的現(xiàn)��
這一�(fā)�(xiàn)引起了許多國(guó)家科�(xué)家的�(guān)�,巨磁電阻效�(yīng)及其材料的基�(chǔ)研究和應(yīng)用研究迅速成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)自此以后�10多年�(lái),巨磁電阻效�(yīng)的研究發(fā)展非常迅�,并且基�(chǔ)研究和應(yīng)用研究幾乎齊頭并�(jìn),已成為基礎(chǔ)研究快速轉(zhuǎn)化為商業(yè)�(yīng)用的�(guó)際典范目�,GMR材料已在�傳感�、計(jì)算機(jī)讀�磁頭、磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)�等領(lǐng)域得到商�(yè)化應(yīng)��
利用GMR材料制作的傳感器稱作巨磁阻傳感器,它具有靈敏度高、探�(cè)范圍�、抗惡劣�(huán)境等�(yōu)�(diǎn),可利用半導(dǎo)體曝光和刻蝕工藝,使該元件集成化、小型化,其性價(jià)比遠(yuǎn)�(yuǎn)�(yōu)于其他幾種磁�(chǎng)傳感器本文綜述一種將GMR傳感器和生物技�(shù)相結(jié)合的新型傳感器——GMR生物傳感�該傳感器�(yīng)用于生物檢測(cè)�(lǐng)�,是一種對(duì)磁標(biāo)記的生物樣本�(jìn)行檢�(cè)的傳感器,由免疫磁性微�(IMB)、高磁靈敏度的GMR傳感器以及相�(guān)讀�電路三部分構(gòu)成�
2 免疫磁性微�
1979�,John Ugelstad等人成功地制備了一種均勻性和粒度適宜的聚苯乙烯微�,將其磁化并與抗體連接�,即成為一種分離細(xì)胞效果的免疫磁標(biāo)記——dynabeads從此,免疫磁�(biāo)記得到廣泛應(yīng)�,并引發(fā)了生物分離技�(shù)上的一次革命免疫磁�(biāo)記的特點(diǎn)主要有分離速度快、效率高、可重復(fù)性好、操作簡(jiǎn)�、不需要昂貴的儀��(shè)備、不影響被分離細(xì)胞或其他生物材料的生物學(xué)性狀和功��
免疫磁性微�,或稱免疫磁�(biāo)�,是表面�(jié)合有單克隆抗體的磁性微球,是近年來(lái)�(guó)�(nèi)外研究比較熱門的一種新的免疫學(xué)技�(shù)它以免疫�(xué)為基�(chǔ),滲透到病理、生�、藥�、微生物、生化及分子遺傳�(xué)等各�(gè)�(lǐng)�,其�(yīng)用口益廣泛,尤其在免疫學(xué)檢測(cè)、細(xì)胞分�、蛋白質(zhì)純化等方面取得巨大的�(jìn)展現(xiàn)在國(guó)外已�(jīng)有多家公司專門生產(chǎn)磁標(biāo)記產(chǎn)�,如比較的Dynal,Nanomag,Micromer公司等國(guó)�(nèi)生產(chǎn)該方面產(chǎn)品的公司有寧波新芝生物科技股份有限公司、杭州聯(lián)科生物技�(shù)有限公司、深圳納微生物科技有限公司等圖1是一些免疫磁�(biāo)記的磁化曲線,其�,Dynal公司的M-280是目前最常用于GMR生物傳感器檢�(cè)的免疫磁�(biāo)�,直�2.8μm,具有超順磁��
免疫磁標(biāo)記技�(shù)的基本原理如下:免疫磁標(biāo)記既可結(jié)合活性蛋白質(zhì)(抗體),又可被磁鐵所吸引,經(jīng)�(guò)一定處理后,可將抗體結(jié)合在磁標(biāo)記上,使之成為抗體的載體,磁�(biāo)記上抗體與特異性抗原物�(zhì)�(jié)合后,則形成抗原-抗體-磁標(biāo)記免疫復(fù)合物免疫磁標(biāo)記的功能基團(tuán)主要與蛋白質(zhì)�(jié)合,但是借助親和�-生物素系�(tǒng),還能使免疫磁標(biāo)記與非蛋白質(zhì)�(jié)�,如各種DNA,RNA分子等.從而使免疫磁標(biāo)記發(fā)揮更大作��
3 高靈敏度的GMR傳感�
目前,由�(shí)�(yàn)和理論研究所得出具有GMR效應(yīng)的磁有序材料主要有四種類型:多層膜結(jié)�(gòu)、自旋閥�(jié)�(gòu)、磁性合金顆粒結(jié)�(gòu)以及顆粒-薄膜�(fù)合結(jié)�(gòu)四種�(jié)�(gòu)各有特點(diǎn),而GMR生物傳感器大多采用多層膜�(jié)�(gòu)或自旋閥�(jié)�(gòu)�
美國(guó)海軍�(shí)�(yàn)室于1998年率先提出利用GMR效應(yīng)和免疫磁�(biāo)記實(shí)�(xiàn)GMR牛物傳感器的�(shè)想他們通過(guò)�(cè)量DNA、抗�-抗體、施體和受體等的�(shí)�(yàn),證明了其原理的可行�,從而�(jìn)一步提出了磁標(biāo)記陣��(jì)�(shù)�(BARC),并研制出DNA陣列芯片�2是美圍海軍實(shí)�(yàn)室和NVE公司�(lián)合設(shè)�(jì)的第三代BARC陣列芯片,其平面布局如圖2(a)所示,�2(b)是圖2(a)的局部放�,它采用半導(dǎo)體工藝在硅基片上集成�64路GMR傳感�,每一路傳感器都是由總�(zhǎng)�8 mm、寬�1.6μm磁阻條來(lái)回曲折地分布在直徑為200μm的圓形區(qū)域內(nèi)(�2(c)),其磁電阻值為42 kΩ,飽和磁化強(qiáng)度和GMR效應(yīng)(△R/R)分別�30 mT�15�,每一�(gè)傳感器可以單�(dú)完成一�檢測(cè)傳感�采用磁性層/非磁性層/磁性層的多層膜�(jié)�(gòu),被非磁性層隔開(kāi)的兩�(gè)磁性層之間反平行耦合�
除了美國(guó)海軍�(shí)�(yàn)室和NVE公司以外,美�(guó)斯坦福大�(xué)、德�(guó)比勒非爾德大�(xué)、葡萄牙里斯本大�(xué)等也�(duì)GMR生物傳感器展�(kāi)研究在國(guó)�(nèi),對(duì)GMR生物傳感器展�(kāi)研究的有中國(guó)科學(xué)院電工研究所、清華大�(xué)、電子科技大學(xué)�,雖然取得了一定的�(jìn)展,但是缺乏和生物技�(shù)的有�(jī)�(jié)�,發(fā)展比較落��
GMR傳感器檢�(cè)�(guò)程如�3所示首先,在傳感器表面生成用于特定檢測(cè)的生�探針(�3(a)),再使檢�(cè)試液流過(guò)傳感器表面,試液中特定的目標(biāo)分子將被探針捕獲(�3(b)),然后加入免疫磁性微球,免疫磁性微球與目標(biāo)分子�(fā)生作用完成標(biāo)�(�3(c))此時(shí),需要采用垂直于傳感器表面的外加梯度磁場(chǎng)將未參與�(biāo)記的多余免疫磁性微球分�,這樣可以減小檢測(cè)�(shí)的背景噪�,從而提高檢�(cè)的精確度然后,再用外加的交變磁場(chǎng)將磁�(biāo)記磁�,磁化的磁標(biāo)記產(chǎn)生的附加交變磁場(chǎng)引起傳感器磁電阻的變�,通過(guò)讀取磁電阻的變化可以判定待檢試液中是否有目�(biāo)分子,并根據(jù)磁電阻變化的幅度可以判斷待檢試液中目�(biāo)分子的濃度等情況�
4 信號(hào)檢測(cè)電路
磁電阻的變化需要轉(zhuǎn)化成電信�(hào),有兩種�(shí)�(xiàn)方式,一是惠斯登橋路�(jié)�(gòu),如�4(a)所�,另一種是采用I-V�(zhuǎn)換法,如�4(b)所��
兩種方式的輸出信�(hào)都是在檢�(cè)信號(hào)中除去參考信�(hào)代表的背景噪聲,然后將其放大但是由于材料、器件的物理原因�(chǎn)生的噪聲是不可能完全消除�,當(dāng)檢測(cè)信號(hào)非常弱時(shí),由于信噪比太低,上述的電路�(wú)法實(shí)�(xiàn)�(duì)信號(hào)的讀�,此�(shí)必須采用鎖相放大技�(shù)才能讀出信�(hào),其檢測(cè)�(guò)程如�4(c)所示鎖相放大技�(shù)是用于微弱信�(hào)檢測(cè)的有效方法之一,它采用互相�(guān)技�(shù)將待�(cè)信號(hào)中和參考信�(hào)同步的信�(hào)放大并檢�(cè)出來(lái)�
鎖相放大�由信�(hào)通道、參考通道和相�(guān)�(又稱鑒相�)三部分組成,信號(hào)通道的作用是將弱信號(hào)放大到足以推�(dòng)相關(guān)器工作的電平,并兼有抑制和濾除部分干擾及噪聲的功�;相�(guān)器是一種完成被�(cè)信號(hào)與參考信�(hào)互相�(guān)函數(shù)�(yùn)算的單元電路,由乘法器和積分電路組成;參考通道提供一�(gè)和被�(cè)信號(hào)頻率相同的周期信�(hào)�
目前,對(duì)GMR生物傳感器的信號(hào)檢測(cè)大多采用市場(chǎng)上常�(jiàn)的通用�鎖相放大�,其滿刻度靈敏度可達(dá)到nV量級(jí),但它們大多是模塊化的�(cè)試儀�,體積過(guò)�,價(jià)格昂�,不宜于�(chǎn)品的市場(chǎng)化為�,非常有必要�(shè)�(jì)一種專用于GMR傳感器芯片和半導(dǎo)體技�(shù)具有良好的兼容性,可將其與鎖相放大IC芯片采用MCM技�(shù)封裝在一�,這將大大提高GMR生物傳感器的�(shí)用性、普及��
5 �(jié)�(yǔ)
綜上所述,巨磁電阻生物傳感器集成物技�(shù)、半�(dǎo)體技�(shù)、磁性薄膜技�(shù)以及微弱信號(hào)檢測(cè)技�(shù)于一身,通過(guò)�(duì)免疫磁標(biāo)記的檢測(cè),可精確判定待檢試液的成分及所含成分的濃度等情況,是GMR傳感器在生物檢測(cè)�(lǐng)域的一次成功拓新由于它具有靈敏度高、分辨力�(qiáng)、價(jià)格低�、設(shè)備小型化及測(cè)量過(guò)程自�(dòng)化等諸多�(yōu)�(diǎn),在生命科學(xué)、醫(yī)�(xué)及國(guó)防等�(lǐng)域的�(yīng)用潛力巨�,并且隨著半�(dǎo)體工藝的�(jìn)步,它的集成度和靈敏度還將有更�(jìn)一表示�(wèn)候步的提高但�,目前對(duì)GMR生物傳感器的研究,國(guó)�(nèi)外都尚處于基�(chǔ)階段研究,離�(shí)用化還有一定的距離�