GMR生物传感器的原理及研究

美国海军实验室于1998年率先提出利用GMR效应和免疫磁标记实现GMR牛物传感器的设想他们通过测量DNA、抗原-抗体、施体和受体等的实验，证明了其原理的可行性，从而进一步提出了磁标记阵列计数器(BARC)，并研制出DNA阵列芯片图2是美围海军实验室和NVE公司联合设计的第三代BARC阵列芯片，其平面布局如图2(a)所示，图2(b)是图2(a)的局部放大，它采用半导体工艺在硅基片上集成了64路GMR传感器，每一路传感器都是由总长为8 mm、宽为1.6μm磁阻条来回曲折地分布在直径为200μm的圆形区域内(图2(c))，其磁电阻值为42 kΩ，饱和磁化强度和GMR效应(△R/R)分别为30 mT和15%，每一个传感器可以单独完成一种检测传感器采用磁性层/非磁性层/磁性层的多层膜结构，被非磁性层隔开的两个磁性层之间反平行耦合。

除了美国海军实验室和NVE公司以外，美国斯坦福大学、德国比勒非尔德大学、葡萄牙里斯本大学等也对GMR生物传感器展开研究在国内，对GMR生物传感器展开研究的有中国科学院电工研究所、清华大学、电子科技大学等，虽然取得了一定的进展，但是缺乏和生物技术的有机结合，发展比较落后。

GMR传感器检测过程如图3所示首先，在传感器表面生成用于特定检测的生物探针(图3(a))，再使检测试液流过传感器表面，试液中特定的目标分子将被探针捕获(图3(b))，然后加入免疫磁性微球，免疫磁性微球与目标分子发生作用完成标记(图3(c))此时，需要采用垂直于传感器表面的外加梯度磁场将未参与标记的多余免疫磁性微球分离，这样可以减小检测时的背景噪声，从而提高检测的精确度然后，再用外加的交变磁场将磁标记磁化，磁化的磁标记产生的附加交变磁场引起传感器磁电阻的变化，通过读取磁电阻的变化可以判定待检试液中是否有目标分子，并根据磁电阻变化的幅度可以判断待检试液中目标分子的浓度等情况。

4 信号检测电路

磁电阻的变化需要转化成电信号，有两种实现方式，一是惠斯登桥路结构，如图4(a)所示，另一种是采用I-V转换法，如图4(b)所示。