黃 晗， 高曉光， 何秀麗， 賈 建， 李建平

(1.中國科學(xué)院 電子學(xué)研究所 傳感技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190； 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100190)

0 引 言

巨磁電阻(giant magnetoresistance,GMR)生物傳感器具有檢測速度快、靈敏度高、生物特異性強(qiáng)、所需樣品量小的優(yōu)點(diǎn)，而且儀器易于小型化和集成化[1～3]，非常適合現(xiàn)場快速檢測。美國海軍實(shí)驗(yàn)室于1998年首先提出了利用GMR效應(yīng)[4]和免疫磁標(biāo)記進(jìn)行生物檢測的設(shè)想，并通過測量DNA驗(yàn)證了其可行性[5]。2002年，美國斯坦福大學(xué)Li G X等人提出了交流磁場激勵方法，借助鎖相放大器實(shí)現(xiàn)對2.8 μm粒徑磁珠的檢測[6]。2014年，Cheng C Y等人利用簡單的永磁體裝置實(shí)現(xiàn)了對納米磁珠的檢測。

GMR生物傳感器利用對磁珠的檢測間接實(shí)現(xiàn)對生物樣品的分析，傳感器對磁珠的檢測能力決定著對生物樣品的檢測限及靈敏度[7]。除了GMR傳感器自身性能外，磁場激勵模式及信號檢測方法也是影響磁珠檢測效果的重要因素。由于激勵磁場均勻性對磁珠檢測影響很大，目前研究中大多采用亥姆霍茲線圈產(chǎn)生激勵磁場[7,8]，導(dǎo)致整個(gè)檢測裝置體積較大。

此外，目前廣泛使用的微米粒徑磁珠在進(jìn)行小分子檢測時(shí)靈敏度和特異性下降，運(yùn)用納米磁珠作為標(biāo)記物正成為GMR生物傳感器的發(fā)展方向[9]。然而隨著磁珠粒徑的減小，磁珠磁化后產(chǎn)生的磁場變化也十分微弱，對磁珠檢測也提出了更高的要求。

針對生物磁珠檢測需求，本文根據(jù)所用的GMR傳感器工作原理及特點(diǎn)，研究不同磁場激勵方式及輸出信號處理方法，設(shè)計(jì)制作了磁珠檢測裝置，實(shí)現(xiàn)了納米磁珠檢測。

1 GMR傳感器磁珠檢測方法

1.1 多層膜GMR傳感器

本文選用多層膜GMR傳感器實(shí)現(xiàn)磁珠檢測，其GMR敏感薄膜由鐵磁層和非鐵磁層交替生長組成，在零磁場下呈現(xiàn)高阻態(tài)，在一定外加磁場下呈現(xiàn)低阻態(tài)，其電阻值隨外加磁場在薄膜水平面分量的變化如圖1所示。

圖1 多層膜GMR薄膜電阻值隨外磁場的變化

方便起見采用NVE公司多層膜GMR傳感器(AA002-02)裸片進(jìn)行磁珠檢測，該傳感器由4個(gè)多層膜GMR電阻條構(gòu)成惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)及等效電路如圖2所示。傳感器芯片上兩端的GMR電阻條受到聚磁層屏蔽作用而基本不受外磁場影響，為惠斯通電橋中參考電阻R1和R2，中間位置的2個(gè)電阻處于聚磁層磁場強(qiáng)化區(qū)，其電阻值隨外磁場的變化而變化，是惠斯通電橋中的敏感電阻Rx。GMR敏感電阻器表面有約100 nm厚的氮化硅絕緣膜保護(hù)，其所在的區(qū)域大小約200 μm×35 μm，傳感器的線性區(qū)為1.5～10.5 Oe。當(dāng)沿著GMR電阻條方向施加磁場，處于聚磁層磁場強(qiáng)化區(qū)的GMR電阻條阻值減小，由于多層膜GMR電阻變化具有全極性的特點(diǎn)，電阻條阻值的變化只與電阻條方向上的磁場大小相關(guān)，而與其方向無關(guān)，因此GMR傳感器電橋輸出信號只反映施加在GMR電阻條方向上磁場的大小。

圖2 GMR傳感器示意

1.2 磁場激勵模式比較

免疫磁珠為超順磁材料，本身沒有磁性，在檢測的過程中需要對磁珠施加激勵磁場。根據(jù)激勵磁場方向，其模式可分為水平模式與垂直模式[10]。

為了保證傳感器正常工作，要求激勵磁場在傳感器敏感方向的分量在傳感器線性區(qū)內(nèi)。水平模式下施加最大激勵磁場約為10 Oe；垂直模式能施加的激勵磁場大小取決于磁場傾斜程度，本文施加200 Oe的垂直激勵磁場。仿真時(shí)只對單個(gè)磁珠產(chǎn)生的附加磁場進(jìn)行分析，計(jì)算GMR薄膜各個(gè)位置電導(dǎo)率的變化，進(jìn)而得到磁珠導(dǎo)致GMR阻值的變化值。利用COMSOL軟件對2種激勵模式下磁珠產(chǎn)生附加磁場的仿真結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明：在垂直模式下磁珠在傳感器上產(chǎn)生的信號約為水平模式的44倍。對于多層膜GMR傳感器，垂直施加激勵磁場，可以大幅提高磁珠產(chǎn)生的附加磁場大小，因此，本文采用垂直模式對磁珠進(jìn)行檢測。

圖3 磁珠產(chǎn)生的附加磁場

1.3 信號檢測方法

GMR傳感器噪聲主要由白噪聲和1/f噪聲組成。1/f噪聲存在于所有磁性和非磁性系統(tǒng)中，概括性描述[11]為

(1)

式中γH為Hooge常數(shù)；V為工作電壓；f為工作頻率；NC為引入的計(jì)算常數(shù)。從式(1)可以看出，影響1/f噪聲的主要因素為工作電壓與工作頻率，噪聲的大小與工作電壓成正比，與工作頻率成反比。

為了有效降低傳感器的1/f噪聲，在電橋兩端施加頻率為ω0的正弦調(diào)制電壓

ui=Usin 2πω0t

(2)

假設(shè)在磁場作用下GMR電阻條阻值的變化為ΔR， GMR電阻值為

Rx=R+ΔR

(3)

傳感器電橋的輸出信號為

(4)

在GMR電阻的線性范圍內(nèi)，電阻值的變化量ΔR與沿傳感器敏感方向的外磁場Bx的大小存在線性關(guān)系

ΔR=kBx

(5)

式中k為比例系數(shù)。

若外磁場為直流磁場，敏感方向分量的大小為B1，由于ΔR?R，由式(2)～式(5)得

(6)

傳感器輸出的正弦信號幅值與外磁場大小呈線性關(guān)系。

(7)

傳感器輸出信號

(8)

對式(8)進(jìn)行傅里葉展開得到

sin 2π(ω0-ω1)t]

(9)

可知，外磁場的大小與ω0+ω1，ω0-ω1的幅值成正比，而施加的偏置磁場僅與ω0頻率分量的信號相關(guān)。

采用交流磁場激勵能夠大幅降低傳感器的1/f噪聲，提高傳感器的探測能力[12]，并且采用交流磁場測量可以避免地磁場、工頻噪聲與高頻電磁噪聲的干擾。由于對傳感器電橋工作電壓與外加磁場進(jìn)行交流調(diào)制均能降低傳感器的噪聲，本文采用電橋工作電壓及激勵磁場雙調(diào)制的方法，通過分析ω0與ω1的和頻信號來計(jì)算磁珠產(chǎn)生的附加磁場，既可減小1/f噪聲與環(huán)境雜散磁場的影響，還可進(jìn)一步減小激勵磁場電源、電橋電源中頻率為ω0和ω1的噪聲干擾影響，大幅提高了傳感器的信噪比。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括激勵磁場模塊、GMR傳感器及信號檢測模塊。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意

實(shí)驗(yàn)中利用金絲球焊將2個(gè)傳感器裸片封裝于一塊印刷電路板(printed circuit board,PCB)板上，分別作為實(shí)驗(yàn)和對照傳感器。

激勵磁場由帶有氣隙的電磁鐵產(chǎn)生，其尺寸為120 mm×90 mm×50 mm，比常規(guī)使用的亥姆霍茲線圈體積更小。電磁鐵氣隙寬度10 mm，電磁鐵匝數(shù)245匝，仿真結(jié)果表明:該電磁鐵氣隙中心±2 mm范圍內(nèi)，垂直磁場大小的變化率僅為0.5 %，可以認(rèn)為PCB上的2只GMR傳感器處于同一勻強(qiáng)激勵磁場內(nèi)。為了方便激勵磁場參數(shù)調(diào)整，利用TDA2030a音頻功放電路放大信號發(fā)生器(Agilent 33500B)產(chǎn)生的正弦信號以驅(qū)動電磁鐵。

信號檢測模塊包括基于AD620的微弱信號放大器、PCIe—6351(NI公司，基本性能)數(shù)據(jù)采集及個(gè)人計(jì)算機(jī)。GMR傳感器電橋輸出信號經(jīng)放大后以10 kHz采樣率輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號處理。

2.2 磁珠檢測方法

實(shí)驗(yàn)采用的磁珠(倍思樂公司Affimag SLE)飽和磁化率大于27.2 emu/g。在實(shí)驗(yàn)傳感器的GMR敏感電阻條表面滴加0.2 μL磁珠溶液，溶液干燥后磁珠分布在GMR電阻條上。在外加磁場激勵下磁珠產(chǎn)生磁信號被傳感器檢測出來，利用數(shù)據(jù)采集卡分別采集滴加磁珠前后的信號，其差值作為磁珠產(chǎn)生的信號。實(shí)驗(yàn)后酒精擦拭傳感器表面，并酒精超聲2 min除去GMR表面附著的磁珠。

3 結(jié)果與討論

3.1 直流與交流激勵磁場的對比

分別在直流激勵磁場和交流激勵磁場下進(jìn)行1 μm粒徑磁珠的檢測，傳感器電橋電壓均采用1 kHz的正弦交流調(diào)制。

對于直流激勵，給傳感器表面的磁珠施加200 Oe的直流磁場，傳感器輸出的信號為正弦交流信號。在計(jì)算機(jī)上對采集到的信號進(jìn)行頻譜分析，計(jì)算出磁珠產(chǎn)生的信號值。對于交流激勵，利用電磁鐵在磁珠上產(chǎn)生頻率為200 Hz，峰值為200 Oe的交流磁場。傳感器輸出的信號為2個(gè)頻率信號的包絡(luò)。利用計(jì)算機(jī)對信號進(jìn)行解析，得到磁珠產(chǎn)生的信號。

表1為直流激勵磁場下0.5 g/L磁珠溶液測量結(jié)果。從表1可知，采用差分測量的信號標(biāo)準(zhǔn)差小于實(shí)驗(yàn)傳感器輸出的標(biāo)準(zhǔn)差。說明GMR傳感器在測量過程中會受到環(huán)境雜散磁場的影響，且由于每次實(shí)驗(yàn)時(shí)無法保證傳感器處于激勵磁場同一位置，傳感器位置的差異也會帶來測量誤差。而2只傳感器受到這2個(gè)因素的影響大致相當(dāng)，采用差分測量可以有效減小這些因素帶來的誤差，降低磁珠的檢測限。

表1 直流激勵磁場下0.5 g/L磁珠測量結(jié)果

通過分析計(jì)算可得，滴加0.2 μL 0.5 g/L的磁珠溶液后，磁珠在GMR傳感器表面的覆蓋率(磁珠覆蓋的面積與GMR電阻條區(qū)域面積的比值)約為13.5 %，傳感器表面磁珠數(shù)量約為1 200個(gè)。測量得到傳感器的基值信號標(biāo)準(zhǔn)差為1.96 mV。計(jì)算得到該方法對粒徑1 μm磁珠的檢測限約為200個(gè)。

表2為交流磁場激勵下的0.1 g/L的磁珠溶液測量結(jié)果，傳感器的基值信號標(biāo)準(zhǔn)差為0.226 mV，磁珠測量的檢測限約為30個(gè)。

表2 交流激勵磁場下0.1 g/L磁珠檢測結(jié)果

*基值及滴加磁珠后信號均為實(shí)驗(yàn)和對照傳感器的差分信號。

由表2可知，在交流激勵磁場下GMR傳感器對磁珠的檢測限較直流激勵磁場下的檢測限小一個(gè)量級，并且基值信號標(biāo)準(zhǔn)差更小。這是因?yàn)橹绷鞔艌黾钕?，磁珠附加磁場信號受到電路噪聲與環(huán)境磁場的干擾，傳感器輸出的信噪比低。交流磁場激勵下磁珠產(chǎn)生交流附加磁場，傳感器輸出為交流信號，通過頻譜分析可提取出與磁珠附加磁場相關(guān)的微弱信號，有效的減少了噪聲干擾，提高傳感器輸出的信噪比。

3.2 微米磁珠檢測

利用雙調(diào)制的方法檢測了0.1～0.5 g/L 5種不同濃度的1 μm磁珠溶液，每個(gè)濃度進(jìn)行5次實(shí)驗(yàn)，取平均值作為測量結(jié)果，圖5為GMR傳感器差分信號強(qiáng)度與磁珠濃度關(guān)系的曲線。GMR傳感器的輸出信號隨著磁珠濃度的增加而增加，在0.1～0.4 g/L的范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，擬合指數(shù)R2=0.996 1。

圖5 傳感器對1 μm磁珠的響應(yīng)—濃度曲線

隨著磁珠溶液濃度的增加，傳感器表面磁珠團(tuán)聚現(xiàn)象變得明顯，磁珠的團(tuán)聚使GMR的信號減小[13]。這是影響傳感器響應(yīng)—濃度曲線線性度的主要因素。

3.3 納米磁珠檢測

在傳感器表面滴加0.5 g/L粒徑為200 nm的磁珠溶液，對其進(jìn)行5次測量，得到實(shí)驗(yàn)組與對照組差分信號如表3所示。

表3 GMR傳感器對200 nm磁珠的響應(yīng)

從表3可以看到，GMR傳感器在滴加磁珠后產(chǎn)生了響應(yīng)，并且傳感器在超聲清洗過后恢復(fù)了原始信號。磁珠受團(tuán)聚等因素影響，一些實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的信號偏差較大。

4 結(jié) 論

本文分析了多層膜GMR傳感器的響應(yīng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了采用電磁鐵激勵的磁珠檢測裝置，對比不同激勵磁場下對磁珠的檢測效果。利用差分模式和雙調(diào)制的檢測方式有效降低了環(huán)境雜散磁場及電路中電磁噪聲的影響，實(shí)現(xiàn)微米磁珠的定量檢測和納米磁珠的定性檢測。

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