巨磁阻（GMR）生物传感器的研究及其在蛋白与汞离子检测方面的应用
发布时间：2021-10-28 19:16
自1988年德国科学家Peter Grunberg与法国科学家Albert Fert于Fe/Cr/Fe多层薄膜结构中发现巨磁阻（GMR）效应以来,不到十年的时间就迅速开发出了一系列具有深远影响的磁电子学新器件。尤其是GMR技术在计算机外存储器中的应用,已使计算机外存储器的容量获得突破性的增长,基于GMR的原理,其与磁性颗粒相结合可用于生物检测,进一步拓宽了 GMR的应用。与IC（Integrate Circuit）工艺兼容、灵敏度高、干扰小、易于集成化与检测等优点使GMR生物传感器从众多生物传感器中脱颖而出,以期能在生物分子诊断、药物研究、食品与环境检测等领域发挥巨大作用。本论文探讨了 GMR传感器的制备与表面修饰方法,运用自行搭建的GMR检测系统,研究了不同磁性纳米颗粒在此传感系统上的表现,选出性能最优的颗粒,用于检测蛋白与汞离子。本论文首先介绍了 GMR传感器与芯片的制备方法与过程。利用Shamrock金属膜溅射机在硅片表面沉积GMR多层薄膜结构Ta（50 A）/NiFe（20 A）/CoFe（10 A）/Cu（33 A）/CoFe（25 A）/IrMn（80 A）/Ta（25 A...
【文章来源】：南京大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：151 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
生物传感器示意图
了固定其中某一铁磁层磁矩方向，在其一侧再加上一层反铁磁层，利用铁磁／反铁??磁藕合作用使得该层铁磁层磁矩方向被钉扎而不随外界磁场方向的变化而变化。??而另一个铁磁层的磁矩方向则呈现自由态，能随外界磁场变化而变化（图１．２）。自??旋阀结构为：铁磁自由层（Ｆｒｅｅ?ｌａｙｅｒ）／非磁性导体层／铁磁性被钉扎层（Ｐｉｎｎｅｄ?ｌａｙｅｒ）／??反铁磁灯扎层（Ｐｉｎｎｉｎｇ?ｌａｙｅｒ）。反铁磁层通常由ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎ等合金组成，热稳定??性和耐腐蚀性良好，且钉扎效应强。被钉扎层和自由层多采用矫顽力小的坡莫合??金。中间导体层一般是Ｃｕ薄膜。自旋阀型结构ＧＭＲ对外磁场在一定范围有线性??响应关系，同时其饱和场小，灵敏度高，是理想的ＧＭＲ传感器材料，目前在生物??检测的应用中基本上都是自旋阀型结构。ＧＭＲ效应并不是薄膜结构特有的，１９９２??年Ｃｕ－Ｃｏ合金异质颗粒膜也被发现具有ＧＭＲ效应［２７，?２８］，颗粒膜是颗粒镶嵌在??薄膜中所构成的复合材料体系。由于颗粒膜中磁性颗粒磁矩取向随机，所以具有??各向同性的特点。目前颗粒膜ＧＭＲ效应的研究主要是二大材料系列：一是银系，??如?Ｃｏ－Ａｇ
应用于生物监测领域，是一种对磁标记（ｍａｇｎｅｔｉｃ?ｌａｂｅｌ）的生物样本进行监测的传感??技术。目前ＧＭＲ生物传感器大多采用自旋阀的多层薄膜结构。ＧＭＲ生物传感器??由ＧＭＲ传感器、磁性颗粒与相关读出电路组成，其工作原理如图１．３。在外界磁??场（Ｈａｐｐｌ）作用下，固定到传感器表面的磁性颗粒能被磁化，而该磁化所引起的磁场??作用在自由层上，使自由层的磁矩方向发生偏转，传感器的电阻由于ＧＭＲ效应也??发生改变。在一定的范围内，当固定到传感器表面的磁性颗粒数量越多，ＧＭＲ传??感器的电阻变化也就越大，最后这种电阻变化可以通过集成的电路系统读出（图??１．４）。??物分字??磁＾＾粒＼??』自由层??—ｆ被钉扎层??巨磁阻（ＧＭＲ）传感器??？???Ｈａｐｐｌ??图１．３?ＧＭＲ生物传感器原理图??Ｆｉｇｕｒｅ?１．３?ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ?ｓｃｈｅｍｅ?ｏｆ?ＧＭＲ?ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ??７??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于GMR生物传感器的甲胎蛋白检测[J]. 刘庆胜,冯洁,郅晓,周勇. 微纳电子技术. 2012(04)
[2]SPR生物传感器在急性白血病髓系抗原CD33检测中的应用[J]. 谢永红,王耀玲,程小丽,张玮,王红理,方湘怡. 传感技术学报. 2011(01)
[3]磁性氧化铁纳米颗粒的研究进展[J]. 孙涛,王光辉,陆安慧,李文翠. 化工进展. 2010(07)
[4]巨磁电阻效应简述及其应用[J]. 韩振华,张建,刘楚湘. 新疆师范大学学报(自然科学版). 2008(02)
[5]巨磁电阻效应的原理及其应用[J]. 吴镝,都有为. 自然杂志. 2007(06)
[6]GMR生物传感器的原理及研究现状[J]. 王永进,兰中文,余忠,郑飞雁. 微纳电子技术. 2007(Z1)
[7]SPR生物传感器在食品安全领域的应用研究[J]. 王凯,殷涌光. 传感器与微系统. 2007(05)
[8]以乙二醛为交联剂的壳聚糖纤维交联机理探索[J]. 杨庆,梁伯润,窦丰栋,沈新元,郯志清. 纤维素科学与技术. 2005(04)
[9]表面等离子体共振法研究抗生物素抗体与生物素作用[J]. 陈受惠,崔小强,杨帆,倪永年,杨秀荣. 应用化学. 2004(03)
[10]电化学DNA传感器研究进展[J]. 马丽,白燕,刘仲明,刘芳. 传感器技术. 2002(03)
博士论文
[1]高效农药残留物检测酶纳米生物传感器的研制[D]. 关桦楠.东北林业大学 2011
[2]用于农药残留检测的压电免疫生物传感器的研究[D]. 黄君冉.浙江大学 2010
硕士论文
[1]零价汞的去除及汞离子检测[D]. 张伟彦.大连理工大学 2012
[2]GMR传感器的微加工制作[D]. 岳廷.安徽大学 2011
本文编号：3463224
【文章来源】：南京大学江苏省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：151 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
生物传感器示意图
了固定其中某一铁磁层磁矩方向，在其一侧再加上一层反铁磁层，利用铁磁／反铁??磁藕合作用使得该层铁磁层磁矩方向被钉扎而不随外界磁场方向的变化而变化。??而另一个铁磁层的磁矩方向则呈现自由态，能随外界磁场变化而变化（图１．２）。自??旋阀结构为：铁磁自由层（Ｆｒｅｅ?ｌａｙｅｒ）／非磁性导体层／铁磁性被钉扎层（Ｐｉｎｎｅｄ?ｌａｙｅｒ）／??反铁磁灯扎层（Ｐｉｎｎｉｎｇ?ｌａｙｅｒ）。反铁磁层通常由ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎ等合金组成，热稳定??性和耐腐蚀性良好，且钉扎效应强。被钉扎层和自由层多采用矫顽力小的坡莫合??金。中间导体层一般是Ｃｕ薄膜。自旋阀型结构ＧＭＲ对外磁场在一定范围有线性??响应关系，同时其饱和场小，灵敏度高，是理想的ＧＭＲ传感器材料，目前在生物??检测的应用中基本上都是自旋阀型结构。ＧＭＲ效应并不是薄膜结构特有的，１９９２??年Ｃｕ－Ｃｏ合金异质颗粒膜也被发现具有ＧＭＲ效应［２７，?２８］，颗粒膜是颗粒镶嵌在??薄膜中所构成的复合材料体系。由于颗粒膜中磁性颗粒磁矩取向随机，所以具有??各向同性的特点。目前颗粒膜ＧＭＲ效应的研究主要是二大材料系列：一是银系，??如?Ｃｏ－Ａｇ
应用于生物监测领域，是一种对磁标记（ｍａｇｎｅｔｉｃ?ｌａｂｅｌ）的生物样本进行监测的传感??技术。目前ＧＭＲ生物传感器大多采用自旋阀的多层薄膜结构。ＧＭＲ生物传感器??由ＧＭＲ传感器、磁性颗粒与相关读出电路组成，其工作原理如图１．３。在外界磁??场（Ｈａｐｐｌ）作用下，固定到传感器表面的磁性颗粒能被磁化，而该磁化所引起的磁场??作用在自由层上，使自由层的磁矩方向发生偏转，传感器的电阻由于ＧＭＲ效应也??发生改变。在一定的范围内，当固定到传感器表面的磁性颗粒数量越多，ＧＭＲ传??感器的电阻变化也就越大，最后这种电阻变化可以通过集成的电路系统读出（图??１．４）。??物分字??磁＾＾粒＼??』自由层??—ｆ被钉扎层??巨磁阻（ＧＭＲ）传感器??？???Ｈａｐｐｌ??图１．３?ＧＭＲ生物传感器原理图??Ｆｉｇｕｒｅ?１．３?ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ?ｓｃｈｅｍｅ?ｏｆ?ＧＭＲ?ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ??７??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于GMR生物传感器的甲胎蛋白检测[J]. 刘庆胜,冯洁,郅晓,周勇. 微纳电子技术. 2012(04)
[2]SPR生物传感器在急性白血病髓系抗原CD33检测中的应用[J]. 谢永红,王耀玲,程小丽,张玮,王红理,方湘怡. 传感技术学报. 2011(01)
[3]磁性氧化铁纳米颗粒的研究进展[J]. 孙涛,王光辉,陆安慧,李文翠. 化工进展. 2010(07)
[4]巨磁电阻效应简述及其应用[J]. 韩振华,张建,刘楚湘. 新疆师范大学学报(自然科学版). 2008(02)
[5]巨磁电阻效应的原理及其应用[J]. 吴镝,都有为. 自然杂志. 2007(06)
[6]GMR生物传感器的原理及研究现状[J]. 王永进,兰中文,余忠,郑飞雁. 微纳电子技术. 2007(Z1)
[7]SPR生物传感器在食品安全领域的应用研究[J]. 王凯,殷涌光. 传感器与微系统. 2007(05)
[8]以乙二醛为交联剂的壳聚糖纤维交联机理探索[J]. 杨庆,梁伯润,窦丰栋,沈新元,郯志清. 纤维素科学与技术. 2005(04)
[9]表面等离子体共振法研究抗生物素抗体与生物素作用[J]. 陈受惠,崔小强,杨帆,倪永年,杨秀荣. 应用化学. 2004(03)
[10]电化学DNA传感器研究进展[J]. 马丽,白燕,刘仲明,刘芳. 传感器技术. 2002(03)
博士论文
[1]高效农药残留物检测酶纳米生物传感器的研制[D]. 关桦楠.东北林业大学 2011
[2]用于农药残留检测的压电免疫生物传感器的研究[D]. 黄君冉.浙江大学 2010
硕士论文
[1]零价汞的去除及汞离子检测[D]. 张伟彦.大连理工大学 2012
[2]GMR传感器的微加工制作[D]. 岳廷.安徽大学 2011
本文编号：3463224
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