用于高吞吐量生物分子測(cè)試的磁性生物醫(yī)學(xué)傳感器和感測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種磁性生物傳感器，可以包括磁性疊層，該磁性疊層包括自由層、固定層和在自由層和固定層之間的非磁性層。在沒有外部磁場(chǎng)的情況下，自由層或固定層中的至少一個(gè)可以具有分別定向在自由層或固定層的主平面以外的磁矩。磁性生物傳感器還可以包括被置于磁性疊層上的樣品容器、被附著到磁性疊層上面的樣品容器的底面的多個(gè)捕獲抗體；以及磁場(chǎng)發(fā)生器，其配置為產(chǎn)生與自由層或固定層的主平面基本垂直的磁場(chǎng)。
【專利說明】用于高吞吐量生物分子測(cè)試的磁性生物醫(yī)學(xué)傳感器和感測(cè)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及用于磁性生物分子感測(cè)的系統(tǒng)和技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]檢測(cè)和量化超低濃度的生物分子的生物測(cè)定在很多領(lǐng)域中是非常需要的，包括基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、疾病控制和診斷、藥物發(fā)現(xiàn)和環(huán)境監(jiān)控。生物測(cè)定可以被用于基于寡核苷酸之間的特定相互作用的疾病或病原檢測(cè)，諸如DNA-DNA或RNA-RNA相互作用；小分子-生物分子相互作用；適體-生物分子相互作用；蛋白質(zhì)相互作用等等。
[0003]磁性生物感測(cè)技術(shù)利用磁場(chǎng)來檢測(cè)和量化生物分子。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，諸如磁性納米粒子(MNP)或磁性微珠之類的磁性標(biāo)簽可以被附著于試劑中的化驗(yàn)物上。未被附著磁性標(biāo)簽的相同化驗(yàn)物可能存在于血清樣品中。試劑和血清樣品可以被引入包括磁性傳感器和多個(gè)捕獲分子的傳感器中，所述多個(gè)捕獲分子被配置為例如利用共價(jià)或離子鍵合來捕獲化驗(yàn)物。磁性傳感器可以包括磁矩沿特定方向被固定的磁性層(固定層)和磁矩在外部磁場(chǎng)的影響下自由旋轉(zhuǎn)的磁性層(自由層)。當(dāng)外部施加的場(chǎng)被施加于傳感器(例如使用電磁鐵或永磁鐵)時(shí)，自由層的磁矩旋轉(zhuǎn)到由被施加于該層的有效磁場(chǎng)決定的方向，所述有效磁場(chǎng)可以包括來自外部施加的場(chǎng)的分量、來自任何磁性物體(例如傳感器表面上的磁性粒子)的磁場(chǎng)、由在讀取過程中流經(jīng)磁性傳感器的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)以及由磁性傳感器的其它磁性層(例如固定層)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。然后，血清樣品中的化驗(yàn)物的濃度可以利用磁性生物傳感器而被確定，因?yàn)楫?dāng)被鍵合到磁性標(biāo)記上的化驗(yàn)物被捕獲分子捕獲時(shí)，自由層的磁矩的方向?qū)⒃诖判詷?biāo)記的影響下旋轉(zhuǎn)。磁性生物傳感器和相關(guān)技術(shù)的更多細(xì)節(jié)在通過引用被合并于此的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/534，636中被描述。
[0004]在一些磁性生物傳感器中，平面內(nèi)外部磁場(chǎng)配置被使用(即，外部磁場(chǎng)沿與自由層和固定層的主平面平行的方向被施加于傳感器)。針對(duì)該配置的儀器設(shè)備和工作原理在圖1中被示意性地示出。在該配置中，包括一個(gè)或多個(gè)樣品10的樣品盤18被置于在兩個(gè)相對(duì)的磁鐵12和14之間的一個(gè)或多個(gè)磁性傳感器(未被示出)上，所述磁鐵產(chǎn)生由箭頭16表示的平面內(nèi)磁場(chǎng)(即，在相對(duì)于自由磁性層的主平面的平面內(nèi))。這種平面內(nèi)配置可以被用于有限尺寸的測(cè)試盤(例如長(zhǎng)度為2-5厘米(cm))，但是不能與大樣品盤(例如長(zhǎng)度為50cm) —起使用，除非大磁鐵12和14被使用，這與臺(tái)式系統(tǒng)不兼容。因?yàn)樾枰鶆?、相?duì)較大的(例如大約20奧斯特(Oe)到大約IOOOe)平面內(nèi)磁場(chǎng)以準(zhǔn)確檢測(cè)被測(cè)試樣品中的生物分子，所以需要大磁鐵。這種利用大電磁鐵的配置不僅不適合于臺(tái)式操作，而且需要大量功率來操作大電磁鐵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本公開描述了一種磁性生物感測(cè)系統(tǒng)，其中與自由層和固定層的主平面垂直的外部磁場(chǎng)(垂直磁場(chǎng))被施加于磁性傳感器。這樣的系統(tǒng)可以方便同時(shí)測(cè)試大量樣品，因?yàn)樽銐虼蟮母鶆虻拇艌?chǎng)可以同時(shí)被施加于更多的傳感器。在一些示例中，利用新的磁性生物感測(cè)系統(tǒng)，臺(tái)式生物醫(yī)療檢測(cè)系統(tǒng)可以同時(shí)并且在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)(例如5分鐘內(nèi))測(cè)試超過數(shù)千個(gè)樣品。此外，這里所描述的磁性生物感測(cè)系統(tǒng)可以允許例如通過被編程的機(jī)器人來自動(dòng)處理樣品和測(cè)試?，F(xiàn)有技術(shù)的傳感方案和儀器設(shè)備不能同時(shí)測(cè)試這么大量的樣品。
[0006]在一些實(shí)現(xiàn)方式中，磁性生物感測(cè)系統(tǒng)利用多個(gè)磁性傳感器，其中(針對(duì)每個(gè)磁性傳感器)自由層或固定層中的至少一個(gè)具有平面外磁性各向異性(即該層的易磁化軸定向在該層的主平面以外)。此外，外部磁場(chǎng)沿與自由層和固定層的主平面垂直的方向被施加于磁性傳感器。當(dāng)樣品保持盤的方向使得其主平面總體與多個(gè)傳感器的自由層和固定層的主平面平行時(shí)，與樣品保持盤的主平面垂直的外部磁場(chǎng)也被施加。這個(gè)布置將產(chǎn)生外部磁場(chǎng)的磁鐵置于傳感器下面，傳感器在樣品盤下面。這可以允許使用更接近于磁鐵的大的被自動(dòng)控制的樣品盤(與平面內(nèi)磁場(chǎng)配置相比)并且導(dǎo)致在樣品盤中的所有樣品上的磁場(chǎng)的基本均勻性，因?yàn)槊總€(gè)樣品與磁鐵的距離基本相同。
[0007]這里所描述的磁性生物感測(cè)系統(tǒng)可以結(jié)合不同類型的磁性傳感器被使用，例如可以具有旋轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)的磁性隧道結(jié)(MTJ)傳感器、可以具有旋轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)的巨磁阻(GMR)傳感器、可以具有旋轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)的霍爾傳感器、巨磁阻抗(GMI)傳感器等。磁性生物感測(cè)系統(tǒng)可以利用多探針臺(tái)或站臺(tái)，用于電子控制與磁性傳感器電極的簡(jiǎn)單可靠的連接和斷開連接。
[0008]磁性生物感測(cè)系統(tǒng)可以磁化和捕獲具有磁性標(biāo)簽的生物分子到磁性生物傳感器的頂層或涂層，所述磁性標(biāo)簽例如磁性納米粒子(MNP)或者包括磁性微珠的稍微大點(diǎn)的磁性粒子。磁性生物傳感器可以被設(shè)計(jì)為捕獲被附著于MNP上的生物分子，MNP通常從幾納米到小于大約100納米(nm)變化，并且更常見的是在I到IOnm量級(jí)上。作為另一示例，生物傳感器可以被配置為捕獲被附著到磁性微珠上的生物分子，磁性微珠可以在小于I微米(μ m)到2 μ m的量級(jí)上(例如大約IOOnm到大約2000nm)。
[0009]在一方面,本公開描述了一種包括磁性疊層的磁性生物傳感器,所述磁性疊層包括自由層、固定層和介于自由層和固定層之間的非磁性層。在沒有外部磁場(chǎng)的情況下，自由層或固定層中的至少一個(gè)可以具有分別定向在自由層或固定層的主平面以外的磁矩。磁性生物傳感器還可以包括被置于磁性疊層上的樣品容器、被附著到磁性疊層上面的樣品容器的底面的多個(gè)捕獲抗體，以及磁場(chǎng)發(fā)生器，該磁場(chǎng)發(fā)生器被配置為產(chǎn)生與自由層或固定層的主平面基本垂直的磁場(chǎng)。
[0010]在另一方面，本公開描述了一種磁性生物傳感器陣列，該磁性生物傳感器陣列包括沿磁性生物傳感器陣列的至少一個(gè)周邊被放置的多個(gè)電極，樣品容器，以及多個(gè)磁性生物傳感器，每個(gè)磁性生物傳感器與樣品容器相鄰地被放置并且包括磁性疊層，該磁性疊層包括自由層、固定層和自由層與固定層之間的非磁性層。在沒有外部磁場(chǎng)的情況下，自由層或固定層中的至少一個(gè)可以具有分別定向在自由層或固定層的主平面以外的磁矩。磁性生物傳感器陣列還可以包括被附著到多個(gè)磁性生物傳感器上面的樣品容器的底面的多個(gè)捕獲抗體。
[0011]在另一方面，本公開描述了一種磁性感測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括探針陣列和磁性生物傳感器陣列，所述探針陣列包括多個(gè)探針。磁性生物傳感器陣列可以包括沿磁性生物傳感器陣列的至少一個(gè)周邊被放置的多個(gè)電極，樣品容器，以及多個(gè)磁性生物傳感器，每個(gè)磁性生物傳感器與樣品容器相鄰地被放置并且包括磁性疊層，該磁性疊層包括自由層、固定層和自由層與固定層之間的非磁性層。在沒有外部磁場(chǎng)的情況下，自由層或固定層中的至少一個(gè)可以具有分別定向在自由層或固定層的主平面以外的磁矩。磁性生物傳感器陣列還可以包括被附著到多個(gè)磁性生物傳感器上面的樣品容器的底面的多個(gè)捕獲抗體。多個(gè)電觸點(diǎn)沿傳感器芯片的至少一個(gè)邊被放置并且被配置為接收多個(gè)探針中的相應(yīng)的探針。磁性生物感測(cè)系統(tǒng)還可以包括電機(jī)，該電機(jī)被配置為移動(dòng)探針陣列去往和遠(yuǎn)離磁性生物傳感器陣列以將多個(gè)探針與多個(gè)電觸點(diǎn)接合和分離；以及磁場(chǎng)發(fā)生器，該磁場(chǎng)發(fā)生器位于磁性生物傳感器陣列下面以沿與磁性生物傳感器陣列的主平面垂直的方向施加電磁場(chǎng)。
[0012]在另一方面，本公開描述了一種用于形成磁性生物傳感器的方法。該方法可以包括形成包括自由層、固定層和自由層與固定層之間的非磁性層的磁性疊層。在沒有外部磁場(chǎng)的情況下，自由層或固定層中的至少一個(gè)可以具有分別定向在自由層或者固定層的主平面以外的磁矩。該方法還可以包括在磁性疊層上放置樣品容器并且將多個(gè)捕獲抗體附著到磁性疊層上面的樣品容器的底面。
[0013]一個(gè)或多個(gè)示例的細(xì)節(jié)在下面的附圖和描述中被給出。根據(jù)描述和附圖以及根據(jù)權(quán)利要求，本公開的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將變得清楚。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是其中外部磁場(chǎng)被定向?yàn)殛P(guān)于傳感器的自由層在同一平面內(nèi)的示例磁性生物感測(cè)系統(tǒng)的示意圖。
[0015]圖2A和2B是圖示了磁性生物傳感器可以用來檢測(cè)樣品中的化驗(yàn)物的濃度的示例技術(shù)的概念圖。
[0016]圖3A-3D是圖示了磁性生物傳感器可以用來檢測(cè)樣品中的化驗(yàn)物的濃度的另一示例技術(shù)的概念圖。
[0017]圖4是其中外部磁場(chǎng)被定向?yàn)殛P(guān)于傳感器的自由層的主平面垂直的示例磁性生物感測(cè)系統(tǒng)的示意圖。
[0018]圖5A-?是具有用于多個(gè)樣品的并行測(cè)試的垂直施加的磁場(chǎng)的磁性生物感測(cè)系統(tǒng)的示例的圖像。
[0019]圖6是具有在固定層中的平面內(nèi)磁性各向異性和自由層中的平面外磁性各向異性的磁性生物傳感器的概念圖。
[0020]圖7是具有在固定層中的平面外磁性各向異性和自由層中的平面內(nèi)磁性各向異性的磁性生物傳感器的概念圖。
[0021]圖8是用于示例磁隧道結(jié)(MTJ)結(jié)構(gòu)的疊層材料的示意圖，在自由層中為平面內(nèi)磁性各向異性，在固定層中為平面外磁性各向異性。
[0022]圖9是響應(yīng)于平面外所施加的磁場(chǎng)、針對(duì)具有大約60nm直徑的圓形磁隧道結(jié)(MTJ)設(shè)備的示例性磁阻與所施加的磁場(chǎng)的曲線的圖。
[0023]圖1OA和IOB分別是示例探針陣列的示意圖和示例探針陣列的圖像。
[0024]圖1lA和IlB分別是用于將探針相對(duì)于彼此固定到位的示例三層站臺(tái)和針對(duì)探針中的一個(gè)探針的示例尖端樣式的示意圖。
[0025]圖12A和12B分別是包括沒有和具有到多個(gè)探針的電連接的多個(gè)個(gè)體磁性生物傳感器的示例磁性生物傳感器陣列的概念圖。
[0026]圖12C和12D分別是其中探針站臺(tái)不接觸和接觸磁性生物傳感器陣列的示例探針站臺(tái)和磁性生物傳感器陣列的圖像。
[0027]圖13是包括旋轉(zhuǎn)樣品保持器和可移動(dòng)探針裝置的示例磁性生物傳感器系統(tǒng)的概念圖。
[0028]圖14是示例高吞吐量磁性生物傳感器系統(tǒng)的概念圖。
[0029]圖15是被配置為被夾在磁場(chǎng)發(fā)生器之間的示例磁性生物傳感器陣列的示意圖。
[0030]圖16A-16F是包括被夾在磁性生物傳感器陣列上面和下面的磁場(chǎng)源的示例多重磁性生物傳感器系統(tǒng)的圖像。
[0031]圖17是示例磁性生物傳感器系統(tǒng)的示意圖。
[0032]圖18是在平臺(tái)中連接的多個(gè)磁性生物傳感器系統(tǒng)的示例的示意圖。
[0033]圖19是包括在固定層中的平面外磁矩和自由層中的平面外磁矩的，具有垂直磁性各向異性的示例磁性生物傳感器的概念圖。
[0034]圖20是包括在固定層中的平面外磁矩和自由層中的平面外磁矩的，用于具有垂直磁性各向異性的磁性生物傳感器的示例磁性隧道結(jié)疊層的概念圖。
[0035]圖21是針對(duì)與圖20中所示的示例一致的磁性生物傳感器、響應(yīng)于平面外所施加的磁場(chǎng)的示例歸一化的隧道磁阻(TMR)與所施加的磁場(chǎng)的曲線的圖。
[0036]圖22是可用在具有沿基本垂直于磁性疊層的方向被施加的外部磁場(chǎng)的磁性生物傳感器中的另一示例磁性隧道結(jié)疊層的概念圖。
[0037]圖23是針對(duì)與圖22中所示的示例一致的磁性隧道結(jié)疊層、響應(yīng)于平面外所施加的磁場(chǎng)的示例磁阻與所施加的磁場(chǎng)的曲線的圖。
[0038]圖24是圖示了用于生成圖23中所示的磁阻與所施加的磁場(chǎng)的曲線的磁性隧道結(jié)疊層和磁場(chǎng)源的示例配置的概念圖。
[0039]圖25是針對(duì)與圖22中所示的示例一致的磁性隧道結(jié)疊層、響應(yīng)于平面外所施加的磁場(chǎng)的示例磁阻與所施加的磁場(chǎng)的曲線的圖。
[0040]圖26是圖示了用于生成圖25中所示的磁阻與所施加的磁場(chǎng)的曲線的磁性隧道結(jié)疊層和磁場(chǎng)源的示例配置的概念圖。
[0041]圖27是可以被用在具有沿基本垂直于磁性疊層的方向施加的外部磁場(chǎng)的磁性生物傳感器中的另一示例磁性隧道結(jié)疊層的概念圖。
[0042]圖28是針對(duì)與圖27中所示的示例一致的磁性隧道結(jié)疊層、響應(yīng)于平面外所施加的磁場(chǎng)的示例磁阻與所施加的磁場(chǎng)的曲線的圖。
[0043]圖29是圖示了被用于生成圖28中所示的磁阻與所施加的磁場(chǎng)的曲線的磁性隧道結(jié)疊層和磁場(chǎng)源的示例配置的概念圖。
[0044]圖30是針對(duì)與圖27中所示的示例一致的磁性隧道結(jié)疊層、響應(yīng)于平面外施加的磁場(chǎng)的示例磁阻與所施加的磁場(chǎng)的曲線的圖。
[0045]圖31是圖示了被用于生成圖30中所示的磁阻與所施加的磁場(chǎng)的曲線的磁性隧道結(jié)疊層和磁場(chǎng)源的示例配置的概念圖。
[0046]圖32是針對(duì)與圖27中所示的示例一致的磁性隧道結(jié)疊層、響應(yīng)于平面內(nèi)施加的磁場(chǎng)的示例磁阻與所施加的磁場(chǎng)的曲線的圖。[0047]圖33是圖示了被用于生成圖32中所示的磁阻與所施加的磁場(chǎng)的曲線的磁性隧道結(jié)疊層和磁場(chǎng)源的示例配置的概念圖。
[0048] 圖34是圖示了不同尺寸的反應(yīng)容器之間的差異的概念圖。
[0049]圖35是包括多個(gè)個(gè)體磁性生物傳感器的示例磁性生物傳感器陣列的概念圖。
[0050]圖36是包括用于將樣品分發(fā)到多個(gè)樣品容器中的多個(gè)分發(fā)器的示例磁性生物感測(cè)系統(tǒng)的概念圖。
[0051]圖37是可以被用于蛋白質(zhì)復(fù)用的示例磁性生物傳感器陣列的概念圖。
[0052]圖38是示出了被鍵合的磁標(biāo)記的抗原對(duì)交流信號(hào)的影響的歸一化的幅度對(duì)相位的示例圖。
[0053]圖39是圖示了被配置為檢測(cè)雌二醇的磁性生物傳感器的示例配置的概念圖。
[0054]圖40是包括多個(gè)微流體通道的示例基板的概念圖。
[0055]圖41是圖示了另一示例磁性生物傳感器的概念圖。
[0056]圖42是被并聯(lián)連接的圖41中所示的多個(gè)傳感器的概念圖。
【具體實(shí)施方式】
[0057]本公開描述了磁性生物分子傳感器和磁性生物分子感測(cè)系統(tǒng)。在一個(gè)或多個(gè)方面，本公開描述了一種包括具有自由層、固定層或者這兩者的磁性傳感器的磁性生物分子傳感器，具有在磁性穩(wěn)定狀態(tài)下(例如在沒有外部磁場(chǎng)的情況下)定向在所述層的主平面以外的磁矩。在一些示例中，自由層、固定層或者這兩者的磁矩在磁性穩(wěn)定狀態(tài)下可以定向?yàn)榕c該層的主平面基本垂直。
[0058]自由層、固定層或者這兩者的磁矩的平面外定向可以便于沿與自由層的主平面垂直的方向?qū)⑼獠看艌?chǎng)施加于磁性傳感器。通過沿與自由層的主平面垂直的方向施加外部磁場(chǎng)，被配置為同時(shí)處理多個(gè)樣品(例如數(shù)十、數(shù)百或數(shù)千個(gè)樣品)的系統(tǒng)可以被構(gòu)建。例如，該系統(tǒng)可以包括磁場(chǎng)源、被置于磁場(chǎng)源上的多個(gè)磁性生物傳感器，以及用于被置于多個(gè)磁性生物傳感器上的多個(gè)樣品的樣品保持器。在該配置中，磁場(chǎng)源與多個(gè)磁性生物傳感器中的每個(gè)磁性生物傳感器之間的距離可以基本相同,這可以使得多個(gè)磁性生物傳感器中的每個(gè)磁性生物傳感器被暴露于基本相同的所施加的磁場(chǎng)中。因而，多個(gè)樣品可以被多個(gè)磁性傳感器并行處理。
[0059]樣品保持器可以包括多個(gè)樣品容器，每個(gè)樣品容器被配置為保持樣品。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，樣品容器可以是反應(yīng)阱，其中樣品被放置并且在整個(gè)測(cè)試過程中都留在那里。在各種示例中，樣品容器可以被配置為保持少量的樣品(例如納升(nL)或微升(μ?)或者更大量的樣品(例如毫升(mL))。不同尺寸的樣品容器可以被用于不同類型的樣品測(cè)試。例如，小體積樣品保持器可以被用于藥物發(fā)現(xiàn)，而更大體積的樣品保持器可以被用于診斷測(cè)試。
[0060]在一些實(shí)現(xiàn)方式中，樣品容器可以是樣品流經(jīng)的微流體通道。一系列傳感器可以沿微流體通道的底部被基本對(duì)齊以檢測(cè)移動(dòng)經(jīng)過微流體通道的化驗(yàn)物。按照這種方式，磁性生物分子傳感器可以被用在各種測(cè)試應(yīng)用中。
[0061]圖2Α和2Β是圖示了磁性生物傳感器20可以用來檢測(cè)樣品中的化驗(yàn)物的濃度的一種技術(shù)的概念圖。圖2Α和2Β中概念性地圖示的技術(shù)可以被稱為通過競(jìng)爭(zhēng)的檢測(cè)。如圖2中所示，磁性生物傳感器20可以包括磁性疊層22和樣品容器24。在圖2中所示的簡(jiǎn)化示例中，磁性疊層22包括固定磁性層26、非磁性層28和自由磁性層30。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，磁性疊層22可以包括附加的層?？杀挥迷诖判陨飩鞲衅?0中的其它磁性疊層的示例在下面進(jìn)行描述。
[0062]固定磁性層26包括磁性材料，該磁性材料被形成以使得固定磁性層26的磁矩32在固定磁性層26所經(jīng)受的磁場(chǎng)下基本沿所選擇的方向被固定。如圖2A和2B中所示，固定磁性層26的磁矩32沿平面內(nèi)的方向(即在固定磁性層26的主平面內(nèi)的方向)被固定。在其它示例中，磁矩32可以沿固定磁性層26的平面以外的方向被固定。例如，磁矩32可以以在大約I度與大約90度之間的被傾斜到平面以外的角度被固定(其中90度基本正交于固定磁性層26的主平面)。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，磁矩32可以沿與固定磁性層26的主平面基本正交(垂直)的方向被固定。在一些不例中，固定磁性層26的磁矩利用磁疊層22中的一個(gè)或多個(gè)附加層(未被示出)被固定，例如利用反鐵磁耦合。
[0063]各種磁性材料可以被用于形成固定磁性層26，包括例如鈷-鐵-硼(CoFeB)合金、鈀/鈷(Pd/Co)多層結(jié)構(gòu)或者它們的組合等。固定磁性層26的厚度可以取決于例如被用于形成固定磁性層26的材料、非磁性層28的厚度、自由磁性層30的厚度以及其它變量。
[0064]非磁性層28提供在固定磁性層26與自由磁性層30之間的間隔。非磁性層28可以包括非磁性材料，例如氧化物或者介電材料。在一些示例中，非磁性層28可以包括氧化鎂(MgO)。非磁性層28的厚度可以變化并且基于例如自由磁性層30和固定磁性層26的屬性被選擇。在示例中，非磁性層28可以由MgO形成并且具有大約1.7nm的厚度。在一些示例中，非磁性層28可以被稱為間隔層。
[0065]自由磁性層30包括磁性材料，該磁性材料被形成以允許自由磁性層30的磁矩34在外部磁場(chǎng)(即磁性疊層22外部的磁場(chǎng))的影響下旋轉(zhuǎn)。自由磁性層30還被形成以使得在沒有外部磁場(chǎng)的情況(被稱為磁性穩(wěn)定狀態(tài))下自由磁性層30的磁矩34定向在所選擇的方向。在圖2A和2B中所示出的示例中，磁矩34被形成以使得磁性穩(wěn)定狀態(tài)與自由磁性層30的主平面垂直。在其它示例中，磁矩32可以具有在自由磁性層30的平面以外的另一方向上的磁性穩(wěn)定狀態(tài)。例如，磁矩34可以具有在大約I度與大約90度之間的被傾斜到平面以外的角度的磁性穩(wěn)定狀態(tài)(其中90度基本正交于自由磁性層30的主平面)。在其它實(shí)現(xiàn)方式中，例如當(dāng)固定磁性層26的磁矩32沿固定磁性層26的平面以外的方向被固定時(shí)，自由磁性層30的磁矩34可以具有與自由磁性層30的主平面平行的磁性穩(wěn)定狀態(tài)。
[0066]自由磁性層30可以由磁性金屬或合金形成,例如CoFeB合金。自由磁性層30的厚度可以基于多個(gè)變量被選擇，包括所選擇的傳感機(jī)制、被施加于磁性疊層22的外部場(chǎng)、固定磁性層26和非磁性層28的組成和/或厚度等。在一些示例中，自由磁性層30的厚度可以在大約Inm與大約3nm之間，例如大約1.lnm、大約1.3nm、大約1.5nm、大約1.7nm或者大約2nm。
[0067]磁性生物傳感器20還包括磁場(chǎng)發(fā)生器46，該磁場(chǎng)發(fā)生器可以包括例如永久磁鐵或電磁鐵。磁場(chǎng)發(fā)生器46產(chǎn)生定向?yàn)榕c自由層30的主平面垂直的基本不變的磁場(chǎng)48。磁場(chǎng)48使自由層30的磁矩34沿與磁場(chǎng)48基本平行的方向偏置。
[0068]樣品容器24可以由適合于容納樣品的任何材料形成。例如，樣品容器24可以由與樣品的組份基本無反應(yīng)的聚合物、塑料或玻璃形成。在一些實(shí)例中，樣品容器24是反應(yīng)阱。在其它示例中，樣品容器24是微流體通道。樣品容器24可以是任何合適的形狀，包括例如中空?qǐng)A筒、中空立方體、細(xì)長(zhǎng)形通道等。在一些實(shí)例中，樣品容器24的大小被設(shè)計(jì)為包含少量樣品，例如nL或UL的樣品。例如，樣品容器24的大小可被設(shè)計(jì)為包含大約40 μ L樣品。在其它實(shí)例中，樣品容器24的大小被設(shè)計(jì)為包含更大量的樣品，例如mL的樣品。例如，樣品容器24可以是具有大約25毫米(mm)的半徑和大約2mm的高度的圓柱形講,該圓柱形阱具有大約3.925mL的體積。
[0069]在一些示例中，代替單個(gè)樣品容器24被耦合到單個(gè)磁性疊層22或者與單個(gè)磁性疊層22相關(guān)聯(lián)(如圖2A和2B中所示)，單個(gè)樣品容器24可以與多個(gè)磁性疊層22相關(guān)聯(lián)或者被耦合到多個(gè)磁性疊層22。例如，單個(gè)樣品容器24可以與至少四個(gè)傳感器相關(guān)聯(lián)或者被耦合到至少四個(gè)傳感器，例如25個(gè)傳感器或者320個(gè)傳感器。
[0070]在樣品容器24內(nèi)并且被附著(例如被化學(xué)鍵合)到樣品容器24的表面的是多個(gè)捕獲分子或捕獲抗體44。捕獲抗體44可以被選擇為捕獲被置于樣品容器24內(nèi)的樣品中的感興趣的分子。雖然單一類型的捕獲抗體44在圖2A和2B中被示出，但是在其它示例中，多種類型的捕獲抗體44(例如被配置為捕獲感興趣的不同分子)可以被附著到樣品容器24的表面，例如在樣品容器24的不同位置處。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，當(dāng)樣品阱24包括多種不同類型的捕獲抗體44時(shí)，每種類型的捕獲抗體44可以被放置為與不同的磁性疊層22相鄰。例如，單一類型的捕獲抗體44可以與單個(gè)磁性疊層22相關(guān)聯(lián)，并且樣品容器24可以與多個(gè)磁性疊層22相關(guān)聯(lián)。
[0071]在通過競(jìng)爭(zhēng)的檢測(cè)的技術(shù)中，包括多個(gè)未被標(biāo)記的化驗(yàn)物42或未被標(biāo)記的抗原42的樣品和包括多個(gè)有磁標(biāo)記的化驗(yàn)物36的試劑被混合并保持在樣品容器24中，如圖2A中所示。磁標(biāo)記的化驗(yàn)物36包括也被稱為有磁標(biāo)記的抗原38的感興趣的分子。磁標(biāo)記的抗原38可以與未被標(biāo)記的抗原42是相同的分子或者可以擁有與未被標(biāo)記的抗原42相同的鍵合特性(以捕獲抗體44)。
[0072]磁標(biāo)記的抗原38被鍵合到磁性納米粒子(MNP) 40。MNP40可以包括高磁矩材料，例如FeCo, FeCoN, FeSi, FeC, FeN及Fe, N, C，Si的組合等。MNP40可以利用各種技術(shù)被制造，包括物理蒸汽納米粒子-沉積。MNP40的大小可以被控制在例如3到IOOnm的范圍內(nèi)。因而MNP40的大小和形狀影響MNP40的磁屬性，影響磁性疊層22的操作，所以MNP40的大小和形狀可以被控制為基本一致的。在一些示例中，MNP40可以基本為立方體的形狀并且具有基本相同的大小，例如由MNP40中相應(yīng)MNP的寬度限定的大小。
[0073]如圖2B中所示，磁標(biāo)記的抗原38和未被標(biāo)記的抗原42競(jìng)爭(zhēng)以在捕獲抗體44處鍵合。因此，被捕獲抗體44結(jié)合的經(jīng)磁標(biāo)記的抗原38的數(shù)目與樣品中的未被標(biāo)記的抗原42的濃度成反比。MNP40產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)影響磁矩34的方向。例如，如圖2B中所示，被捕獲抗體44捕獲的經(jīng)磁標(biāo)記的化驗(yàn)物36的MNP40所產(chǎn)生的磁場(chǎng)沿圖2B的向下方向影響磁矩34。自由層30的磁矩34的這個(gè)變化改變了磁性疊層22的磁阻，該磁阻可以通過在磁性疊層22上施加電壓并測(cè)量所得到的電流來測(cè)量。在生成所測(cè)得的電流對(duì)未被標(biāo)記的抗原42的已知濃度的校準(zhǔn)曲線之后，校準(zhǔn)曲線和所測(cè)得的磁性疊層22上的電流可被用于確定樣品中的未被標(biāo)記的抗原的濃度。
[0074]圖3A-3D是圖示了磁性生物傳感器可以用來檢測(cè)樣品中的化驗(yàn)物的濃度的另一種技術(shù)的概念圖。圖3A-3D中所圖示的技術(shù)可以被稱為三層技術(shù)或者三明治技術(shù)。[0075]如圖3A-3D中所示，在一些實(shí)現(xiàn)方式中，除了這里所描述的差別之外，磁性生物傳感器50可以與圖2A和2B的磁性生物傳感器20類似。例如，磁性疊層22可以與針對(duì)圖2A和2B或者下面所描述的其它示例所描述的磁性疊層22的配置中的任一配置基本相似或相同。類似地，樣品容器24和磁場(chǎng)發(fā)生器46可以與參考圖2A和2B所描述的那些結(jié)構(gòu)相似或相同。
[0076]該三層技術(shù)與競(jìng)爭(zhēng)檢測(cè)(兩層)技術(shù)的區(qū)別在于包括化驗(yàn)物或抗原52的樣品首先被保持在樣品容器24中，如圖3A中所示。然后，抗原52被給予時(shí)間以結(jié)合到捕獲抗體44，如圖3B中所示。一旦抗原52已被給予時(shí)間以結(jié)合到捕獲抗體44，樣品就被移除，并且在一些實(shí)現(xiàn)方式中，樣品容器可以用溶劑擦拭以去除任何樣品殘余。
[0077]如圖3C中所示，包含過量的有磁性標(biāo)簽的檢測(cè)抗體54的溶液被引入樣品容器24中。有磁性標(biāo)簽的檢測(cè)抗體54中的每一個(gè)包括MNP40和檢測(cè)抗體56，所述MNP40可以與圖2A和2B的MNP40相似或相同。檢測(cè)抗體56的關(guān)鍵是與抗原52結(jié)合。
[0078]如圖3D中所示，有磁性標(biāo)簽的檢測(cè)抗體54結(jié)合到抗原52。在允許結(jié)合發(fā)生的足夠時(shí)間之后，溶液和過量的有磁性標(biāo)簽的檢測(cè)抗體54可以被移除并且電壓被施加在磁性疊層22上以測(cè)量磁性疊層22的電阻。如上所述，磁性疊層的電阻是固定層26的磁矩32與自由層30的磁矩34的相對(duì)方向的函數(shù)。當(dāng)磁矩34的方向受MNP40所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的影響時(shí)，電阻可以基于被結(jié)合到抗原52的有磁性標(biāo)記的檢測(cè)抗體54的數(shù)目被改變。例如，如圖3D中所示，有磁性標(biāo)記的檢測(cè)抗體52的MNP40所產(chǎn)生的磁場(chǎng)沿圖3D的向下的方向影響磁矩34。自由層30的磁矩34的這個(gè)變化改變了磁性疊層22的磁阻，該磁阻可以通過在磁性疊層22上施加電壓并測(cè)量所得到的電流來測(cè)量。在生成關(guān)于所測(cè)得的電流與抗原52的已知濃度的校準(zhǔn)曲線之后，校準(zhǔn)曲線和所測(cè)得的磁性疊層22上的電流可以被用于確定樣品中的未被標(biāo)記的抗原的濃度。
[0079]圖2A、2B和3A-3D中所示的磁性生物傳感器20，50可以被用于檢測(cè)和量化各種抗原的濃度。例如，磁性生物傳感器20，50可以被用于基于針對(duì)寡核苷酸的特定相互作用來檢測(cè)抗原，所述特定相互作用例如DNA-DNA或RNA-RNA相互作用；小分子-生物分子相互作用；適體-生物分子相互作用；蛋白質(zhì)相互作用等等。按照這種方式，磁性生物傳感器20，50允許施加與磁性疊層22的主平面(例如自由層30的主平面)垂直的外部磁場(chǎng)。這樣的配置可以便于利用單個(gè)系統(tǒng)基本同時(shí)或并行測(cè)試不同樣品容器中的多個(gè)樣品。
[0080]圖4是圖示了其中外部磁場(chǎng)(用箭頭62指示)的定向與樣品盤64的主平面基本垂直的示例磁性生物感測(cè)系統(tǒng)60的示意圖。基本垂直或者平面外的配置可以被利用以允許基本同時(shí)或并行測(cè)試大量樣品。
[0081]如圖4中所示，每個(gè)樣品可以被包含在磁性生物傳感器66中的相應(yīng)的一個(gè)磁性生物傳感器中。在一些不例中，每個(gè)磁性生物傳感器66可以具有與參考圖2A和2B或圖3A-3D中所示的磁性生物傳感器20或50所描述和示出的配置類似的配置，并且每個(gè)磁性生物傳感器66的配置可以相同或不同。雖然在圖4中未被示出，但是每個(gè)磁性生物傳感器66中的磁性疊層的自由層(例如圖2A、2B和3A-3D的自由層30)的主平面的定向可以與樣品盤64的主平面基本平行。因而，外部磁場(chǎng)(用箭頭62指示)的定向與生物傳感器66中的每個(gè)相應(yīng)的生物傳感器的自由層的主平面基本垂直。磁性生物感測(cè)系統(tǒng)60的這個(gè)配置允許將樣品盤64放置得更靠近磁場(chǎng)發(fā)生器68 (例如與圖1中所示的平面內(nèi)配置相比)。[0082]在圖4中所示的示例中，磁場(chǎng)發(fā)生器68是電磁鐵并且包括用于產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈70。在其它示例中，磁場(chǎng)發(fā)生器68可以是另一種磁場(chǎng)發(fā)生器，例如永久磁鐵。該設(shè)計(jì)還可以提供在磁場(chǎng)發(fā)生器68的表面上基本均勻的很大的(例如大約8000e)平面外磁場(chǎng)。利用磁性生物感測(cè)系統(tǒng)60的這個(gè)配置，臺(tái)式類型的生物醫(yī)療檢測(cè)系統(tǒng)可以被構(gòu)建，該系統(tǒng)可以基本同時(shí)或者在短時(shí)間段內(nèi)(例如5分鐘內(nèi))測(cè)試?yán)绯^數(shù)十、數(shù)百或者數(shù)千個(gè)樣品。此夕卜，在一些實(shí)現(xiàn)方式中，磁性生物感測(cè)系統(tǒng)60可以允許例如通過被計(jì)算機(jī)控制的機(jī)器人系統(tǒng)來自動(dòng)處理和測(cè)試樣品。
[0083]圖5A-?是具有用于多個(gè)樣品的并行測(cè)試的垂直施加的磁場(chǎng)的磁性生物感測(cè)系統(tǒng)的示例的圖像。圖5A示出了一種電磁鐵組件(磁場(chǎng)發(fā)生器)，該電磁鐵組件與臺(tái)式設(shè)置兼容并且可以在電磁鐵組件的頂部的相當(dāng)大部分上提供大于5000e的基本均勻的磁場(chǎng)。如圖5B中所示，電磁鐵組件的大小被設(shè)計(jì)為能夠容納蔓延在24個(gè)單獨(dú)的芯片上的1600個(gè)磁性生物傳感器。在一些示例中，圖5B中所示的磁性生物傳感器可以具有與磁性生物傳感器20或磁性生物傳感器50相同或相似的配置。圖5C示出了具有384個(gè)獨(dú)立反應(yīng)阱(例如樣品容器)的被置于磁性生物傳感器上的樣品保持器。每個(gè)反應(yīng)阱可以保持一個(gè)樣品。圖示出了完全組件好的磁性生物感測(cè)系統(tǒng)。樣品保持器被置于磁性生物傳感器的頂部上，所述磁性生物傳感器被布置在磁鐵組件上。這個(gè)配置可以允許大量的樣品基本同時(shí)被測(cè)試。
[0084]如上所述，為了便于使用平面外磁場(chǎng)結(jié)合磁性生物傳感器66，生物傳感器66的磁性疊層可以包括具有平面外的磁性各向異性(例如在磁性穩(wěn)定狀態(tài)下的平面外磁矩)的自由層、固定層或者兩者。針對(duì)具有平面外各向異性的疊層材料的兩個(gè)示例配置針對(duì)圖6和7被描述。
[0085]圖6是具有在固定層84中的平面內(nèi)磁性各向異性和自由層88中的平面外磁性各向異性的磁性生物傳感器80的概念圖。磁性生物傳感器80包括基板82，該基板82可以包括例如玻璃、硅或者另一非磁性材料。固定層84被形成在基板82上，該固定層的材料和厚度可以與圖2A、2B和3A-3D的固定層26相似或相同。固定層84具有平面內(nèi)磁性各向異性，這意味著固定層84的磁矩沿平面內(nèi)的方向被固定。非磁性層84被形成在固定層82上并且材料和厚度可以與圖2A、2B和3A-3D的非磁性層28相似或相同。自由層88被形成在非磁性層86上并且材料和厚度可以與圖2A、2B和3A-3D的自由層30相似或相同。自由層88具有平面內(nèi)磁性各向異性，這意味著自由層88的磁矩具有沿自由層88的平面外的反平行方向的穩(wěn)定狀態(tài)。如上所述，在一些示例中，自由層88可以具有與自由層88的主平面基本垂直的磁性穩(wěn)定狀態(tài)或者可以具有以任意大于O度的角度向自由層88的主平面以外傾斜的磁性穩(wěn)定狀態(tài)。
[0086]第一電引線90a和第二電引線90b (集合起來為“電引線90”)被形成在自由層30上面。SiO2絕緣層92被形成在電引線90之間。電引線90被用于在磁性生物傳感器80的磁性疊層上施加電壓，該電壓被用于檢測(cè)磁性疊層的電阻。如上所述，磁性疊層的電阻取決于固定層84和自由層88的磁矩的相對(duì)方向。自由層88的磁矩在所施加的場(chǎng)(例如所施加的磁場(chǎng)Happ)或者磁性標(biāo)簽94所產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下旋轉(zhuǎn)。磁性生物傳感器80的操作可以與圖2A、2B和3A-3D的磁性傳感器20和50相似或相同。
[0087]圖7是具有在固定層84中的平面外磁性各向異性和自由層88中的平面內(nèi)磁性各向異性的磁性生物傳感器100的概念圖。除了在固定層84和自由層88的磁性各向異性方面的差別以外，磁性生物傳感器100與圖6的磁性生物傳感器80基本類似。
[0088]圖8是用于類似于圖7的具有在自由層中的平面內(nèi)磁性各向異性和固定層中的平面外磁性各向異性的示例磁隧道結(jié)(MTJ)結(jié)構(gòu)的疊層材料的示意圖。MTJ傳感器110可以包括基板和底層112。底層112可以包括設(shè)置用于形成鈷/鈀交替層的晶格的材料。固定層113包括10個(gè)鈷(Co) 114和鈀(Pd) 116的層對(duì)。固定層113還包括被形成在頂部Pd層116上的CoFeB層118。在圖8中所示的示例中，固定層113具有沿固定層113的主平面以外的方向(例如垂直于固定層113的平面)固定的磁矩。氧化鎂(MgO)第一非磁性層120被形成在固定層113 (即CoFeB層118)上。CoFeB自由層122被形成在第一非磁性層120上。CoFeB自由層122在沒有外部磁場(chǎng)的情況下具有方向在平面內(nèi)的磁矩。MgO第二非磁性層124被形成在CoFeB自由層122上。在MgO第二非磁性層124的上面形成有第三CoFeB層126，該層通過釕(Ru)層128被反鐵磁性地耦合到CoFe層130。CoFe層130與第三CoFeB層126的反鐵磁性耦合可以沿所選擇的方向(例如在第三CoFeB層126的平面內(nèi))固定第三CoFeB層126的磁矩，如圖8中所示。PtMn電極層132被形成在CoFe層130上，并且覆蓋層134被形成在PtMn電極層132上。在被形成時(shí)，這個(gè)結(jié)構(gòu)可以在大約300°C被退火大約I小時(shí)。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，具有60nm直徑的圓形MTJ設(shè)備可以通過電子束光刻來制成。
[0089]圖9是在平面外所施加的磁場(chǎng)作用下、針對(duì)具有60nm直徑的圓形MTJ設(shè)備的示例性磁阻與所施加的磁場(chǎng)的曲線的圖。該MTJ設(shè)備具有與圖8中所示的MTJ設(shè)備類似的結(jié)構(gòu)配置，在沒有外部磁場(chǎng)的情況下，固定磁性層113具有固定在平面外的磁矩并且CoFeB自由層具有定向在平面內(nèi)的磁矩。在點(diǎn)“A”處，自由層和固定層中的磁矩的定向都在平面外，與所施加的磁場(chǎng)平行，并且MTJ設(shè)備的電阻為局部最小值。MTJ設(shè)備的磁阻隨著由于CoFeB自由層的磁矩從垂直于平面旋轉(zhuǎn)到平面以內(nèi)而引起的不斷減小的負(fù)磁場(chǎng)基本線性地增大。在點(diǎn)“B”處，CoFeB自由層的磁矩由于所施加的磁場(chǎng)的移除(所施加的場(chǎng)為零)而完全被旋轉(zhuǎn)到平面內(nèi)。如點(diǎn)“C”處所示，最初沿正方向增大磁場(chǎng)使得MTJ設(shè)備的磁阻持續(xù)增大一直到在大約IlOOOe (點(diǎn)“D”附近)處磁阻突然降低。在該點(diǎn)處，Co/Pd層的磁矩反轉(zhuǎn)。理想情況下，如果兩層中的磁矩完全地彼此垂直，則反轉(zhuǎn)不應(yīng)當(dāng)改變阻值。阻值的小幅跳動(dòng)是因?yàn)镃oFeB自由層的磁化在這個(gè)場(chǎng)的作用下已經(jīng)略微地在平面以外了。沿正方向進(jìn)一步將磁場(chǎng)增大到大約4，OOOOe使磁化和阻值都飽和。在點(diǎn)“E”處，CoFeB自由層和固定層中磁矩完全平行并且MTJ設(shè)備再次達(dá)到局部最小磁阻。
[0090]從點(diǎn)“A”到點(diǎn)“B”并且沿從點(diǎn)“E”到點(diǎn)“F”的相反方向的阻值-所施加的場(chǎng)的環(huán)路的部分在平面外的所施加的場(chǎng)的作用下是線性的并且可以被用于磁性生物傳感器。但是，針對(duì)該環(huán)路的線性部分的所施加的場(chǎng)的范圍是相當(dāng)大的。磁性生物傳感器呈現(xiàn)基本呈線性的阻值變化的所施加的場(chǎng)的范圍可以通過修改磁性疊層的參數(shù)來選擇，例如通過利用具有較低的各向異性場(chǎng)的其它平面外的磁性材料(例如CoFeB或Heusler合金(Co2FeAl))來代替固定層中的Co/Pd交替層。
[0091]為了利用這里所描述的磁性生物傳感器配置實(shí)現(xiàn)例如基本同時(shí)或者在較短的時(shí)段內(nèi)對(duì)多個(gè)樣品的高吞吐量測(cè)試，需要一種能夠快速可靠地將來自生物傳感器陣列的電信號(hào)連接到測(cè)試儀器的裝置。多探針臺(tái)是用于實(shí)現(xiàn)這種布置的一個(gè)技術(shù)。
[0092]圖1OA和IOB分別是不例探針陣列和探針的不意圖和圖像。圖1OA不出了探針的各個(gè)部分的示例測(cè)量值。該探針可以被用作到環(huán)繞磁性生物傳感器的導(dǎo)電焊盤的電觸點(diǎn)，例如用于磁性生物傳感器與用于測(cè)量磁性生物傳感器的阻值的電系統(tǒng)之間的電通信。圖1OA中所示的第一測(cè)量值以英寸為單位并且第二測(cè)量值以毫米為單位。
[0093]圖1OB圖示了包括多個(gè)探針142的示例探針陣列140。探針可以被用于與在包括多個(gè)磁性生物傳感器的基板上的相應(yīng)數(shù)目的接觸焊盤進(jìn)行電接觸。探針被附接到安裝盤144上，該安裝盤將探針相對(duì)于彼此固定到位。探針142包括用于附接到安裝盤144的插座(在圖1OB中未示出)。在一些實(shí)例中，探針142的插座足夠小以實(shí)現(xiàn)在包括多個(gè)磁性生物傳感器的基板上的多管腳連接。因?yàn)榛迳系碾姌O可能具有小到大約0.7mm乘大約0.4mm的尺寸，所以連接需要小直徑插座。插座的最大直徑是在插座的頂部的壓環(huán)(圖1OB中未被示出)。壓環(huán)的外直徑為大約0.022英寸(大約0.5588mm)，這可以在相鄰管腳之間留出足夠的空間。在一些示例中，每個(gè)探針的長(zhǎng)度為大約1.170英寸(大約29.72_)，可以節(jié)省用于診斷臺(tái)式系統(tǒng)的空間。
[0094]用于每個(gè)探針124的額定彈簧力是在0.107" (2.7mm)行程處為1.6盎司(45g)。彈簧可以額定為在2/3行程(.107英寸)處有1，000, 000個(gè)循環(huán)。完整行程為大約0.160英寸(大約4.06mm)。
[0095]圖1lA和IlB分別是用于將探針相對(duì)于彼此固定到位的示例三層站臺(tái)和針對(duì)探針中的一個(gè)探針的示例尖端樣式的示意圖。三層站臺(tái)150可以方便實(shí)現(xiàn)所有探針152的徑直和平行對(duì)齊。三層站臺(tái)150可以包括探針152利用壓環(huán)162被固定到其上的安裝盤154。三層站臺(tái)還包括第一引導(dǎo)盤156a和第二引導(dǎo)盤156b。安裝盤154和第一引導(dǎo)盤156b被第一組間隔件158a分隔開。第一引導(dǎo)盤156a和第二引導(dǎo)盤156b被第二組間隔件158b分隔開。每個(gè)探針152還被電連接到引線160，該引線可以電連接到電壓源。在一些實(shí)例中，利用三層站臺(tái)150對(duì)探針152的對(duì)齊可以方便在每個(gè)探針152上施加均勻的力(例如當(dāng)將探針與包括多個(gè)磁性生物傳感器的基板的電觸點(diǎn)接觸時(shí))。
[0096]在其中三層站臺(tái)150可以被使用的很多情況下，例如現(xiàn)場(chǎng)水環(huán)境測(cè)試，電觸點(diǎn)的表面可以小于理想情況。圖1lB中的矛形由于較為銳利的尖端而可以提供在受污染的電觸點(diǎn)上的改進(jìn)的接觸。
[0097]圖12A和12B分別是包括沒有和具有到多個(gè)探針的電連接的多個(gè)個(gè)體磁性生物傳感器的示例磁性生物傳感器陣列的概念圖。用于磁性生物傳感器陣列170的一種可能的布局可以是64個(gè)傳感器被置于傳感器區(qū)域172中并且66個(gè)電極174(可以包括兩條總線)被置于一個(gè)裸片(芯片或基板)中。在一些示例中，其中額外的電極(例如傳感器以外的電極174)可以被用于對(duì)磁性生物傳感器陣列170通電、控制或接地。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，磁性生物傳感器陣列170的尺寸為大約16mm乘16mm。電極174可以沿磁性生物傳感器陣列170的周邊被放置。沿周邊的每個(gè)電極174可以被連接到傳感器區(qū)域172中的傳感器，所述傳感器區(qū)域可以位于磁性生物傳感器陣列170的中心位置的區(qū)域中。通過這種接觸，電極174可以被通電并且可以傳送去往和來自每個(gè)傳感器的信號(hào)。例如，所感測(cè)的電平可以從生物采樣阱內(nèi)的傳感器被傳遞到相應(yīng)的電極174，其中所述信號(hào)提供關(guān)于例如在位于每個(gè)傳感阱內(nèi)的生物傳感器上的被生物結(jié)合到傳感芯片的磁性標(biāo)簽的數(shù)目的指示。這個(gè)數(shù)據(jù)隨后通過被耦合到控制器的探針被傳送回計(jì)算設(shè)備，以使得用戶可以訪問該數(shù)據(jù)。
[0098]圖12B圖示了其中多個(gè)探針176被使得與相應(yīng)的電極174接觸的示例的示意圖。如圖12B中所示，探針布置可以包括按照與磁性生物傳感器陣列170上的電極174的布置類似的布置被放置的探針176。因此每個(gè)探針176與電極174中的相應(yīng)的一個(gè)電極相接觸。探針176與電極174之間的這種接觸可以是外部?jī)x器設(shè)備與磁性生物傳感器陣列170的傳感器之間的關(guān)口，在傳感器陣列處生物采樣發(fā)生。每個(gè)電極174被配置為當(dāng)例如線性致動(dòng)器臂降低時(shí)(降低與每個(gè)電極174接觸的探針布置)接收相應(yīng)的探針176，例如如圖1OC和IOD的圖像中所示的。在其中旋轉(zhuǎn)臺(tái)被使用(例如如圖13中所示)的示例中，旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)以使得每個(gè)探針布置降至磁性生物傳感器陣列170上面。一旦磁性生物傳感器陣列170的電極174接收到探針布置中的相應(yīng)的探針176，對(duì)所述磁性生物傳感器陣列170的數(shù)據(jù)傳送和通電可以開始。
[0099]圖12C和12D分別是探針站臺(tái)不接觸和接觸磁性生物傳感器陣列的示例探針站臺(tái)和磁性生物傳感器陣列的照片。圖12C和12D圖示了探針站臺(tái)與磁性生物傳感器陣列之間的連接可以怎樣被實(shí)現(xiàn)以及探針站臺(tái)移動(dòng)和各個(gè)探針與各個(gè)電極之間的接觸的過程。
[0100]圖13是包括旋轉(zhuǎn)樣品保持器和可移動(dòng)探針組件的示例磁性生物傳感器系統(tǒng)180的概念圖。具體而言，圖13圖示了使用旋轉(zhuǎn)臺(tái)182測(cè)試GMR和/或MTJ磁性生物傳感器陣列184。如圖所示,多個(gè)樣品可以置于旋轉(zhuǎn)臺(tái)182上。旋轉(zhuǎn)臺(tái)182的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的角度和速度被步進(jìn)電機(jī)186控制。產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)臺(tái)182的平面垂直的磁場(chǎng)的大線圈188可以被置于旋轉(zhuǎn)臺(tái)下面。通過在旋轉(zhuǎn)臺(tái)182與線圈188之間留薄的空氣間隙，旋轉(zhuǎn)臺(tái)182可以更容易旋轉(zhuǎn)并且在磁性生物傳感器184的平面處的磁場(chǎng)可以仍然是足夠大并且基本垂直的。探針站臺(tái)190的z軸運(yùn)動(dòng)(其中只是為了描述的簡(jiǎn)單，正交的x-y-z軸在圖13中被示出)通過控制器196被另一探針站臺(tái)步進(jìn)電機(jī)192和線性致動(dòng)器194精確控制。計(jì)算機(jī)198可以在控制器196內(nèi)互動(dòng)以控制步進(jìn)電機(jī)186和192，所述計(jì)算機(jī)198可以例如是臺(tái)式機(jī)、膝上型計(jì)算機(jī)、移動(dòng)計(jì)算設(shè)備或者數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)。當(dāng)新樣品在探針站臺(tái)190下面被旋轉(zhuǎn)時(shí)，在步進(jìn)電機(jī)192的力量下，線性致動(dòng)器194將降低探針站臺(tái)190以與磁性生物傳感器陣列184連接。在完成一個(gè)測(cè)試之后，控制器196向步進(jìn)電機(jī)192和線性致動(dòng)器194發(fā)送信號(hào)以抬起探針站臺(tái)190并且向步進(jìn)電機(jī)186發(fā)送信號(hào)來旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)臺(tái)182以將磁性生物傳感器陣列184中的下一個(gè)磁性生物傳感器陣列放在探針站臺(tái)190下面并重復(fù)測(cè)試。計(jì)算機(jī)198可以執(zhí)行算法或控制軟件來控制磁性生物傳感器系統(tǒng)180自動(dòng)地在一個(gè)過程中運(yùn)行多個(gè)測(cè)試(例如對(duì)多個(gè)樣品和/或多個(gè)磁性生物傳感器陣列184)。
[0101]磁性生物感測(cè)系統(tǒng)180被用戶200控制，用戶200可以將數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)198的用戶接口中。計(jì)算機(jī)198輸出信號(hào)或命令到控制器196，該控制器輸出信號(hào)以控制步進(jìn)電機(jī)186，192和/或線性致動(dòng)器194的運(yùn)動(dòng)。由計(jì)算機(jī)198傳送給控制器196的數(shù)據(jù)可以附帶地或者替代地涉及控制采樣的具體方面或采樣參數(shù)。一旦采樣被磁性生物感測(cè)系統(tǒng)180執(zhí)行，從位于旋轉(zhuǎn)臺(tái)182或樣品平臺(tái)上的磁性生物傳感器陣列184收集的數(shù)據(jù)可以例如通過被耦合到探針站臺(tái)190的探針從磁性生物傳感器陣列184發(fā)送至控制器196?？刂破?96隨后將數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)198，使得數(shù)據(jù)可被用戶200和/或計(jì)算機(jī)198訪問以進(jìn)行化驗(yàn)。
[0102]一個(gè)或多個(gè)處理器可以被用在計(jì)算機(jī)198、控制器196和/或旋轉(zhuǎn)臺(tái)182內(nèi)以控制數(shù)據(jù)的傳送和磁性生物感測(cè)系統(tǒng)180，包括旋轉(zhuǎn)臺(tái)182。
[0103]在一些示例中，包括線圈188的電磁鐵可以被永久磁鐵代替。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，代替或除了旋轉(zhuǎn)臺(tái)182可旋轉(zhuǎn)，永久磁鐵或電磁鐵可以是可移動(dòng)的以例如在計(jì)算機(jī)198、控制器196和/或步進(jìn)電機(jī)186的控制下移動(dòng)到磁性生物傳感器陣列184中相應(yīng)的磁性生物傳感器陣列下面。
[0104]圖14是示例高吞吐量磁性生物感測(cè)系統(tǒng)210的概念圖。為了能夠同時(shí)對(duì)大量樣品進(jìn)行測(cè)試，基于用于磁性生物傳感器陣列測(cè)試的探針-站臺(tái)的概念，高吞吐量系統(tǒng)可以被使用。作為示例，高吞吐量磁性生物傳感器系統(tǒng)210可以包括可以是電磁鐵或永久磁鐵的磁場(chǎng)發(fā)生器218。被置于磁場(chǎng)發(fā)生器218上的可以是多個(gè)磁性生物傳感器或者多個(gè)磁性生物傳感器陣列220。系統(tǒng)210還可以包括探針站臺(tái)214，多個(gè)探針216被附接到所述探針站臺(tái)。探針站臺(tái)214被附接到線性致動(dòng)器212，該線性致動(dòng)器被配置為垂直移動(dòng)探針站臺(tái)214以移動(dòng)多個(gè)探針216與磁性生物傳感器陣列220的電觸點(diǎn)接觸和失去接觸。在一些示例中，25個(gè)磁性生物傳感器陣列220可以被置于磁場(chǎng)發(fā)生器218的頂面上。每個(gè)磁性生物傳感器陣列220可以包括例如66個(gè)電觸點(diǎn)。因而，1650(25乘66)個(gè)探針216可以被附接到探針站臺(tái)214，并且線性致動(dòng)器212可以驅(qū)動(dòng)探針站臺(tái)214向上和向下以實(shí)現(xiàn)磁性生物傳感器陣列220的電觸點(diǎn)與探針216之間的連接和斷開連接。因?yàn)橹挥刑结樥九_(tái)214移動(dòng)(而不是磁性生物傳感器陣列220移動(dòng))，所以磁性生物感測(cè)系統(tǒng)210可以更穩(wěn)定(例如與磁性生物感測(cè)系統(tǒng)180相比)并且重復(fù)測(cè)試是可能的。因而，可以高效率地基本上同時(shí)測(cè)試?yán)?5個(gè)樣品，并且通過利用附加的磁性生物傳感器陣列220和探針216來應(yīng)用相同的原理，具有更大容量的更大的系統(tǒng)也可能是可行的。
[0105]圖15是被配置為夾在磁場(chǎng)發(fā)生器之間的磁性生物傳感器陣列的示意圖。磁性生物傳感器陣列230包括樣品(或者反應(yīng))阱236和被置于樣品阱236內(nèi)(例如在阱236的底面)的四個(gè)磁性生物傳感器組232a-232d中的每一個(gè)中的具有四個(gè)磁性生物傳感器的陣列。每個(gè)磁性生物傳感器組232a-232d可以包括四個(gè)磁性生物傳感器。在一些示例中，每個(gè)磁性生物傳感器組232a-232d的大小可以在大約1.6mm乘大約1.6mm的尺度上。在一些實(shí)例中，磁性生物傳感器組232a-232d中的相鄰組之間的距離可以是例如從中心到中心測(cè)出的大約3.5mm。各個(gè)磁性生物傳感器(例如在組232a_232d內(nèi))可以具有所選擇的大小，使得傳感器足夠小以使得多個(gè)傳感器可以被使用并且該傳感器的輸出可以足夠用于測(cè)試的目的。例如，每個(gè)傳感器的總面積可以為大約100 μ m乘大約100 μ m。
[0106]磁性生物傳感器陣列230的布置也可以是基本上均勻的。例如，傳感器組內(nèi)(例如組232a內(nèi))的傳感器之間的間隔可以為例如從中心到中心測(cè)出的大約0.5mm。如圖15中所示，每個(gè)傳感器被耦合到相應(yīng)的一個(gè)或多個(gè)管腳234，所述管腳提供傳感器與磁性生物傳感器陣列230外部的控制電路之間的電連接。在一些示例中，每個(gè)管腳234為大約3.3mm長(zhǎng)并且直徑為大約0.5mm，并且管腳被間隔開大約Imm的距離(例如從中心到中心測(cè)出的距離)。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，磁性生物傳感器陣列230可以具有大約17.3mm的寬度和大約26_的長(zhǎng)度，但是磁性生物傳感器陣列的大小在其它示例中可以是不同的。
[0107]圖16A-16F是包括被夾在磁性生物傳感器陣列上面和下面的磁場(chǎng)發(fā)生器的示例多重磁性生物傳感器系統(tǒng)的圖像。圖16A示出了具有附接的反應(yīng)阱的磁性生物傳感器陣列。圖16B是具有附接的反應(yīng)阱的磁性生物傳感器陣列的頂視圖，并且示出了被連接到各個(gè)磁性生物傳感器的電跡線以及用于將磁性生物傳感器連接到外部控制電路的電管腳。圖16C是四個(gè)磁性生物傳感器的放大圖像。較淺的線條是Au電極和連接。圖16D圖示了磁場(chǎng)發(fā)生器被夾在磁性生物傳感器陣列的任一側(cè)上情形下的被裝配在檢測(cè)系統(tǒng)中的磁性生物傳感器陣列。圖16D還圖示了夾鉗電子連接，其中控制器和傳感器芯片被配置為當(dāng)傳感器芯片的電極通過夾緊機(jī)制被耦合到探針布置時(shí)通過多個(gè)探針布置進(jìn)行通信。圖16E是示例磁性生物感測(cè)系統(tǒng)和它與信號(hào)處理芯片和控制器(例如計(jì)算機(jī))的連接的圖像。圖16F是被電連接到執(zhí)行控制軟件的計(jì)算機(jī)的磁性生物感測(cè)系統(tǒng)的圖像，所述控制軟件例如LabVIEff (可從德州奧斯丁的National Instruments Corp.,得到的系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件)。
[0108]圖17是示例磁性生物傳感器系統(tǒng)的示意圖。在該示例中，磁性生物傳感器系統(tǒng)250可以直接插入到芯片讀取器252中。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，磁性生物感測(cè)系統(tǒng)250可以具有與圖15中所示的磁性生物傳感器陣列230相似或者基本相同的配置。芯片讀取器252可以包括被配置為接收磁性生物傳感器系統(tǒng)250的管腳254的導(dǎo)電觸點(diǎn)，創(chuàng)建用于磁性生物傳感器系統(tǒng)250與芯片讀取器252之間的通信的觸點(diǎn)，例如用于去往和來自磁性生物傳感器系統(tǒng)250的數(shù)據(jù)傳送以及為磁性生物傳感器系統(tǒng)250通電。諸如通用串行總線(USB)連接器254之類的連接器可以被用于將芯片讀取器252連接到諸如計(jì)算機(jī)之類的計(jì)算設(shè)備以傳送數(shù)據(jù)。芯片讀取器252還可以利用無線遙測(cè)技術(shù)與計(jì)算設(shè)備通信。
[0109]在一些示例中，磁性生物傳感器系統(tǒng)250可以被配置為允許多個(gè)磁性生物傳感器系統(tǒng)250連接到彼此。圖18是在平臺(tái)256上被連接的多個(gè)磁性生物傳感器系統(tǒng)250的示例的示意圖。磁性生物傳感器系統(tǒng)250的這個(gè)布置是關(guān)于多個(gè)磁性生物傳感器系統(tǒng)250可以怎樣被布置在平臺(tái)256上以使得每個(gè)芯片的采樣可以在一個(gè)平臺(tái)上基本同時(shí)發(fā)生的示例。這樣的布置可以被用在超高吞吐量的系統(tǒng)中，例如針對(duì)圖14所描述的，其中磁性生物傳感器系統(tǒng)250也可以被利用。
[0110]圖19是包括在固定層264中的平面外磁矩和自由層268中的平面外磁矩的、具有垂直磁性各向異性的不例磁性生物傳感器260的概念圖。除了在固定層264和自由層268的磁性各向異性方面的差別以外，磁性生物傳感器260可以與圖6的磁性生物傳感器80基本類似。
[0111]圖20是包括在固定層中的平面外磁矩和自由層中的平面外磁矩的、用于與圖19的磁性生物傳感器260類似的具有垂直磁性各向異性的磁性生物傳感器的示例磁性隧道結(jié)疊層的概念圖。磁性隧道結(jié)疊層280包括被用于實(shí)現(xiàn)到磁性隧道結(jié)疊層280的電連接的頂部引線300和底部引線282。因而，底部引線282和頂部引線300可以包括導(dǎo)電金屬。底部引線282和頂部引線300分別挨著鉭(Ta)層284和298，每個(gè)鉭層具有大約5nm的厚度。形成在底部鉭層284上的是包括CoFeB合金(例如Co2ciFe6tlB2Cl)的自由層286。
[0112]非磁性層288被形成在自由層286上并且可以包括非磁性材料，例如MgO。在一些示例中，MgO的非磁性層288可以具有大約7 Ω-um2的電阻率。固定層290被形成在非磁性層288上。固定層290可以包括磁性材料，例如CoFeB合金。CoFeB合金的一個(gè)示例是Co20Fe60B200固定層290可以具有所選擇的厚度，例如大約1.5nm。固定層290通過釕(Ru)層292被反鐵磁性地耦合到Co/Pd多層結(jié)構(gòu)295。在一些示例中，Ru層292為大約0.3nm厚。Co/Pd多層結(jié)構(gòu)295可以包括多對(duì)Co層294和Pd層296，例如10個(gè)層對(duì)。在一些示例中，每個(gè)Co層294的厚度為大約0.3nm并且每個(gè)Pd層296的厚度為大約1.0nm。頂部Ta層298被形成在頂部Pd層298上。這個(gè)磁性隧道結(jié)疊層280以用于建立固定層290和自由層286中的垂直各向異性的材料來配置。在一些示例中，磁性疊層280可以在疊層280形成期間在大約200°C的溫度和大約IxKT6T0rr的壓強(qiáng)下被退火大約2個(gè)小時(shí)。磁性隧道結(jié)疊層280可以被用在本文所描述的任意磁性生物傳感器中。[0113]圖21是針對(duì)與圖20中所示的示例一致的磁性生物傳感器、響應(yīng)于平面外所施加的磁場(chǎng)的示例歸一化的隧道磁阻(TMR)與所施加的磁場(chǎng)的曲線的圖。在一些被測(cè)試以產(chǎn)生圖21中的曲線的示例磁性隧道結(jié)疊層280中，自由層286具有大約1.2nm的厚度。y軸包含針對(duì)歸一化的磁阻(MR)的值。X軸顯示垂直場(chǎng)(Oe)。圖21中所示的示例中的磁性隧道結(jié)疊層280的靈敏度為大約0.25% /Oe0
[0114]圖22是可以被用在具有沿基本垂直于磁性疊層的方向被施加的外部磁場(chǎng)的磁性生物傳感器中的另一示例磁性隧道結(jié)疊層的概念圖。磁性隧道結(jié)疊層310包括按Ta/Ru/Ta/Ru/Ta的順序由交替的鉭(Ta)層和釕(Ru)層形成的底部引線312，每層大約5nm厚。磁性隧道結(jié)疊層310還包括頂部引線328，該頂部引線可以與底部引線312類似地或者使用不同的材料成分而形成。底部引線312和頂部引線328被用于實(shí)現(xiàn)到磁性隧道結(jié)疊層310的電連接。
[0115]被形成在底部引線312上的是17nm厚的鉬錳(PtMn)層314。2.5nm厚的鈷鐵(CoFe)層316被形成在PtMn層314上。包括鈷鐵硼(CoFeB)合金的固定層320通過0.85nm厚的釕(Ru)層318被反鐵磁性地耦合到CoFe層316和PtMn層314。固定層320可以具有大約3nm的厚度和在固定層320的平面中的磁性各向異性。因而，固定層320的磁矩330可以基本上固定在沿平面內(nèi)的定向。
[0116]MgO非磁性層322被形成在固定層320上,并且為大約1.7nm厚。形成在MgO非磁性層322上的是包括CoFeB合金的自由層324。自由層324具有大約1.1nm的厚度。自由層324具有磁矩332，該磁矩332在基本垂直于自由層324的主平面的反平行方向上具有磁性穩(wěn)定狀態(tài)。磁性疊層326還包括形成在自由層324與頂部引線328之間的頂部鉭(Ta)層。磁性疊層310可以被用在這里所描述的任意磁性生物傳感器中。
[0117]圖23是針對(duì)與圖22中所示的示例一致的磁性隧道結(jié)疊層、響應(yīng)于平面外所施加的磁場(chǎng)的示例磁阻與所施加的磁場(chǎng)的曲線的圖。圖24是圖示了被用于生成圖23中所示的磁阻與所施加的磁場(chǎng)的曲線的磁性隧道結(jié)疊層和磁場(chǎng)源的示例配置的概念圖。如圖24中所不，電磁鐵342被配置為產(chǎn)生基本垂直于臺(tái)344和磁性疊層346的主平面的磁場(chǎng)350。磁性疊層346具有由磁性疊層346的形狀各向異性限定的易磁化軸348。對(duì)磁性疊層346施加變化的磁場(chǎng)350的結(jié)果被顯示在圖23中，并且圖示具有大約0.8%的歸一化磁阻的該曲線的較大的基本呈線性的部分。
[0118]圖25是針對(duì)與圖22中所示的示例一致的磁性隧道結(jié)疊層、響應(yīng)于平面外所施加的磁場(chǎng)的示例磁阻與所施加的磁場(chǎng)的曲線的圖。圖26是圖示了被用于生成圖25中所示的磁阻與所施加的磁場(chǎng)的曲線的磁性隧道結(jié)疊層和磁場(chǎng)源的示例配置的概念圖。如圖26中所不，電磁鐵352被配置為產(chǎn)生基本垂直于臺(tái)354和磁性疊層356的主平面的磁場(chǎng)360。磁性疊層356具有由磁性疊層356的形狀各向異性限定的易磁化軸358。對(duì)磁性疊層356施加變化的磁場(chǎng)360的結(jié)果被顯示在圖25中，并且圖示具有大約0.4%的歸一化磁阻的該曲線的較大的基本呈線性的部分。
[0119]圖27是可以被用在具有沿基本垂直于磁性疊層的方向被施加的外部磁場(chǎng)的這里所描述的任意磁性生物傳感器中的另一示例磁性隧道結(jié)疊層370的概念圖。除了這里所指出的差別以外，磁性隧道結(jié)疊層370與針對(duì)圖22所描述的磁性隧道結(jié)疊層310總體上類似。[0120]自由層372被形成在MgO非磁性層322上。自由層372包括CoFeB合金并且具有大約1.7nm的厚度。自由層372具有磁矩374，該磁矩374在基本平行于自由層372的主平面的反平行方向上具有磁性穩(wěn)定狀態(tài)。磁性疊層370可以被用在這里所描述的任意磁性生物傳感器中。
[0121]圖28是針對(duì)與圖27中所示的示例一致的磁性隧道結(jié)疊層、響應(yīng)于平面外所施加的磁場(chǎng)的示例磁阻與所施加的磁場(chǎng)的曲線的圖。圖29是圖示了被用于生成圖28中所示的磁阻與所施加的磁場(chǎng)的曲線的磁性隧道結(jié)疊層和磁場(chǎng)源的示例配置的概念圖。如圖29中所示，電磁鐵382被配置為產(chǎn)生基本垂直于臺(tái)384和磁性疊層386的主平面的磁場(chǎng)390。磁性疊層386具有由磁性疊層386的形狀各向異性限定的易磁化軸388。對(duì)磁性疊層386施加變化的磁場(chǎng)390的結(jié)果被顯示在圖28中，并且圖示具有大約11.6%的歸一化磁阻的該曲線的較大的基本呈線性的部分。
[0122]圖30是針對(duì)與圖27中所示的示例一致的磁性隧道結(jié)疊層、響應(yīng)于平面外所施加的磁場(chǎng)的示例磁阻與所施加的磁場(chǎng)的曲線的圖。圖31是圖示了被用于生成圖30中所示的磁阻與所施加的磁場(chǎng)的曲線的磁性隧道結(jié)疊層和磁場(chǎng)源的示例配置的概念圖。如圖31中所示，電磁鐵392被配置為產(chǎn)生基本垂直于臺(tái)394和磁性疊層396的主平面的磁場(chǎng)400。磁性疊層396具有由磁性疊層396的形狀各向異性限定的易磁化軸398。對(duì)磁性疊層396施加變化的磁場(chǎng)400的結(jié)果被顯示在圖30中，并且圖示具有大約25%的歸一化磁阻的該曲線的基本呈線性的部分。
[0123]圖32是針對(duì)與圖27中所示的示例一致的磁性隧道結(jié)疊層、響應(yīng)于平面內(nèi)所施加的磁場(chǎng)的示例磁阻與所施加的磁場(chǎng)的曲線的圖。圖33是圖示了被用于生成圖32中所示的磁阻與所施加的磁場(chǎng)的曲線的磁性隧道結(jié)疊層和磁場(chǎng)源的示例配置的概念圖。如圖33中所不，第一電磁鐵402和第二電磁鐵404被配置為產(chǎn)生基本垂直于臺(tái)406和磁性疊層408的主平面的磁場(chǎng)412。磁性疊層408具有由磁性疊層408的形狀各向異性限定的易磁化軸140。對(duì)磁性疊層408施加變化的磁場(chǎng)412的結(jié)果被顯示在圖32中，并且圖示具有大約33%的歸一化磁阻的該曲線的基本呈線性的部分。
[0124]如上所述，磁性生物傳感器可以包括反應(yīng)容器，例如反應(yīng)阱。不同尺寸的反應(yīng)容器可以被適配用于不同用途。例如，小型反應(yīng)容器(例如40 μ L的反應(yīng)容器)可以很好地適配用于藥物發(fā)現(xiàn)等。但是，這個(gè)尺寸的反應(yīng)容器可能不能很好地適用于其它用途，例如血液測(cè)試。在一些示例中，更大的反應(yīng)容器可以更好地適合于像血液測(cè)試這樣的測(cè)試。圖34是圖示了不同尺寸的反應(yīng)容器之間的差別的概念圖。
[0125]在圖34的示例中，反應(yīng)容器為反應(yīng)阱。反應(yīng)阱422是較大的反應(yīng)容器并且能夠容納例如大約4mL的流體。反應(yīng)阱422被附接到磁性生物傳感器或磁性生物傳感器陣列424。如上所述，在一些實(shí)現(xiàn)方式中，磁性生物傳感器陣列424可以包括多個(gè)生物傳感器，并且每個(gè)生物傳感器可以被配置為檢測(cè)類似的化驗(yàn)物或不同的化驗(yàn)物。
[0126]反應(yīng)阱426是較小的反應(yīng)容器并且能夠容納例如大約40 μ L的流體。反應(yīng)阱426被附接到磁性生物傳感器或磁性生物傳感器陣列428。與磁性生物傳感器陣列424類似，在一些實(shí)現(xiàn)方式中，磁性生物傳感器陣列428可以包括多個(gè)生物傳感器，并且每個(gè)生物傳感器可以被配置為檢測(cè)類似的化驗(yàn)物或不同的化驗(yàn)物。
[0127]反應(yīng)阱422和426中的每個(gè)反應(yīng)阱在相應(yīng)的反應(yīng)阱422或426所包封的體積內(nèi)包括被結(jié)合到傳感器424的表面上的多個(gè)捕獲抗體430。此外，反應(yīng)阱422和426中的每個(gè)反應(yīng)阱包含包括多個(gè)抗原432的樣品。因?yàn)樵诜磻?yīng)阱422中的樣品的體積比反應(yīng)阱426中的樣品的體積大大約100倍，所以當(dāng)每個(gè)樣品中的抗原432的濃度相同時(shí)，反應(yīng)阱422所包含的抗原432是反應(yīng)阱426所包含的抗原432的大約100倍。
[0128]箭頭434和436圖示了反應(yīng)阱422內(nèi)的樣品中的布朗運(yùn)動(dòng)的相對(duì)強(qiáng)度。因?yàn)榭拷东@抗體430的抗原432有機(jī)會(huì)結(jié)合到捕獲抗體430，所以(抗原432的)較低濃度的區(qū)域?qū)偤眯纬稍诓东@抗體430上方(與樣品中的抗原432的體濃度相比)。這將導(dǎo)致布朗運(yùn)動(dòng)(即擴(kuò)散)傾向于捕獲抗體430，如箭頭434和436所示。這往往會(huì)繼續(xù)驅(qū)動(dòng)抗原432向捕獲抗體430移動(dòng)，可以提高抗原432結(jié)合到捕獲抗體430的機(jī)會(huì)。
[0129]然而，在反應(yīng)阱426中，有較少量的抗原432。因而，當(dāng)抗原432在反應(yīng)阱426內(nèi)結(jié)合到捕獲抗體430時(shí)，較小的耗盡區(qū)被形成在捕獲抗體430上方，并且比反應(yīng)阱422中更快達(dá)到濃度平衡。這可能降低抗原432結(jié)合到捕獲抗體430的機(jī)會(huì)?；谶@個(gè)觀察，當(dāng)測(cè)試具有低預(yù)期濃度的抗原432的樣品時(shí)，可優(yōu)選使用較大的反應(yīng)阱422。
[0130]圖35是包括多個(gè)個(gè)體磁性生物傳感器的示例磁性生物傳感器陣列的概念圖。用于磁性生物傳感器陣列440的一種可能的布局可以包括被置于傳感器區(qū)域442中的320個(gè)傳感器以及被置于一個(gè)裸片(芯片或基板)中的相似數(shù)目的電極444 (并且可選地包括附加的總線)。在一些示例中，附加的電極(例如所述數(shù)量的傳感器以外的電極444)可以被用于對(duì)磁性生物傳感器陣列440通電、控制或接地。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，磁性生物傳感器陣列440的尺寸為大約80mm乘大約80mm。這樣的磁性生物傳感器陣列440可以與具有大約4mL的體積的樣品阱(例如具有大約25mm的半徑和大約2mm的高度的阱)(在圖35中未被示出)一起使用。
[0131]在一些示例中，除了并行地自動(dòng)測(cè)試多個(gè)樣品以外，系統(tǒng)可以包括自動(dòng)的樣品分發(fā)機(jī)制。圖36是包括用于將樣品分發(fā)到多個(gè)樣品容器中的多個(gè)分發(fā)器的示例磁性生物感測(cè)系統(tǒng)的概念圖。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，除了這里所描述的差別以外，圖35的磁性生物感測(cè)系統(tǒng)450可以類似于圖4中所示的磁性生物感測(cè)系統(tǒng)210。
[0132]磁性生物感測(cè)系統(tǒng)450包括可以是永久磁鐵或電磁鐵的磁場(chǎng)發(fā)生器452。被置于磁場(chǎng)發(fā)生器452的頂面上的是保持多個(gè)磁性生物傳感器陣列456的樣品盤454。每個(gè)磁性生物傳感器陣列456包括反應(yīng)講(在圖35中未被標(biāo)出)和多個(gè)磁性生物傳感器(在圖35中未被標(biāo)出)。
[0133]磁性生物感測(cè)系統(tǒng)450還包括可移動(dòng)臺(tái)460。多個(gè)樣品分發(fā)器458和多個(gè)探針468被附接到臺(tái)460。臺(tái)460被可移動(dòng)地附接到軌道466?？梢允遣竭M(jìn)電機(jī)的第一電機(jī)462被配置為沿軌道466垂直地移動(dòng)臺(tái)460以使臺(tái)460去往和離開樣品盤454。
[0134]第二電機(jī)464被配置為可控制地延伸和收回多個(gè)樣品分發(fā)器458中的相應(yīng)的樣品分發(fā)器。在延伸的狀態(tài)中，樣品分發(fā)器458可以被放置以將樣品或試劑溶液分發(fā)到相應(yīng)的一個(gè)樣品阱中。在被收回的狀態(tài)中，樣品分發(fā)器458可以讓開以允許探針468接觸到磁性生物傳感器456上的電觸點(diǎn),例如針對(duì)圖12A-12D所描述的。在一些不例中，多個(gè)樣品分發(fā)器458可以被放置，使得當(dāng)樣品分發(fā)器458被放置時(shí)將樣品分發(fā)到樣品阱中。換言之，多個(gè)樣品分發(fā)器458可以被放置在單個(gè)樣品阱上面。按照這種方式，樣品分發(fā)器458可以允許可控制地將多個(gè)樣品中的一個(gè)或多個(gè)樣品分發(fā)到每個(gè)反應(yīng)阱中。在一些實(shí)現(xiàn)方式中，四個(gè)樣品分發(fā)器458可以被放置在每個(gè)樣品阱上面，允許可控制地將四個(gè)不同的溶液中的一個(gè)或多個(gè)溶液分發(fā)到每個(gè)反應(yīng)阱中。
[0135]在一些示例中，磁性生物感測(cè)系統(tǒng)450可以被耦合到控制器或計(jì)算機(jī)(例如類似于圖13的磁性生物感測(cè)系統(tǒng))?？刂破骰蛴?jì)算機(jī)可以控制從樣品分發(fā)器458中對(duì)所選擇樣品的分發(fā)以及利用磁性生物傳感器456對(duì)樣品的測(cè)試。按照這種方式，磁性生物感測(cè)系統(tǒng)450可以便于測(cè)試過程的進(jìn)一步自動(dòng)化，包括樣品的分發(fā)。
[0136]這里所描述的磁性生物傳感器可以在一些實(shí)現(xiàn)方式中被用于蛋白質(zhì)復(fù)用。例如，與保持較大量樣品(例如4mL)的樣品容器相關(guān)聯(lián)的磁性生物傳感器陣列可以被用于蛋白質(zhì)復(fù)用。圖37是可被用于蛋白質(zhì)復(fù)用的示例磁性生物傳感器陣列的概念圖。在一些示例中,磁性生物傳感器陣列可以包括320個(gè)個(gè)體磁性生物傳感器。如圖37中所示，在一些實(shí)現(xiàn)方式中，兩個(gè)相鄰列的磁性生物傳感器可以被印刷有被配置為檢測(cè)特定蛋白質(zhì)的一種捕獲抗體。不同的捕獲抗體可以被印刷在不同的列對(duì)中。每個(gè)捕獲抗體可以被配置為捕獲不同的蛋白質(zhì)。在一些示例中，每一列的最后一行被保留以用于攔阻控制傳感器。
[0137]在一些實(shí)現(xiàn)方式中，染色可以被用于檢測(cè)與單一樣品中的不同抗原的特定結(jié)合。圖38是示出了被結(jié)合的經(jīng)磁標(biāo)記的抗原對(duì)交變電流信號(hào)的影響的歸一化的幅度與相位的示例圖。相位可以利用以下技術(shù)直接測(cè)量出。首先，DC電流被施加于磁性生物傳感器的磁性疊層。磁性生物傳感器(或者，更具體地，磁性疊層)被暴露于交變電流(AC)場(chǎng)中。圖38中所示的AC信號(hào)來自于傳感器的響應(yīng)。在經(jīng)磁標(biāo)記的抗原粒子被結(jié)合到磁性生物傳感器的表面上的捕獲分子上之后，磁性納米粒子(MNP)不能像MNP未被結(jié)合時(shí)那樣很容易地旋轉(zhuǎn)了，但是MNP的電子旋轉(zhuǎn)仍然隨著變化的AC場(chǎng)而旋轉(zhuǎn)。通過提高AC場(chǎng)的頻率(例如在大約100千赫茲(kHz)以上)，MNP的尼爾松弛將跟不上變化的AC場(chǎng)。這導(dǎo)致在磁性生物傳感器的響應(yīng)中的相位延遲(在圖38中被示出)。在472之前和474MNP結(jié)合之后的相位響應(yīng)顯示結(jié)合MNP導(dǎo)致相位延遲。在MNP結(jié)合到生物傳感器之前的相位響應(yīng)可以用數(shù)學(xué)方式被表述為HtjCOS (on)，其中H。是所施加的(外部)磁場(chǎng)并且ω是角頻率(2Jif，其中f是AC場(chǎng)的頻率)。在MNP結(jié)合到生物傳感器之后的相位響應(yīng)可以用數(shù)學(xué)方式被表述為H0 cos(frf) -1lef cos(mt.p),其中Heff是被MNP施加于生物傳感器的有效磁場(chǎng)，并且φ
是相位延遲。不同的MNP將產(chǎn)生不同的相位延遲。因而，通過利用特定MNP標(biāo)記特定抗體(在三層檢測(cè)方案中)，磁性生物傳感器可以標(biāo)識(shí)出樣品中的特定抗原。
[0138]圖39是圖示了被配置為檢測(cè)雌二醇的磁性生物傳感器的示例配置的概念圖。雌二醇是與乳腺癌細(xì)胞中的雌激素受體結(jié)合的主要活性激素。即使是在很低的濃度下，例如在大約I皮摩爾(PM)與大約I納摩爾(ηΜ)之間，雌二醇也可以刺激腫瘤的生長(zhǎng)。在藥物治療之后測(cè)試雌二醇對(duì)于防止腫瘤的進(jìn)一步生長(zhǎng)可能是很重要的。
[0139]如圖39中所示，樣品阱的底面被涂覆有單克隆抗兔IgG。然后，樣品阱利用標(biāo)準(zhǔn)的或者作為樣品的示蹤劑、抗血清來培養(yǎng)。培養(yǎng)之后，樣品阱被清洗以移除所有未被結(jié)合的試齊U。然后，樣品阱利用Ellman試劑(5，5’ - 二硫代-(2-硝基苯甲酸)或DTNB)被顯影，可以對(duì)與單克隆抗兔IgG結(jié)合的巰基組的濃度數(shù)進(jìn)行量化。替代地，如果雌二醇示蹤劑被碘-125鏈接的雌二醇所代替，則這個(gè)方法可以被用于放射免疫化驗(yàn)。
[0140]圖40是包括多個(gè)微流體通道482的示例基板480的概念圖。微流體通道482可以是可以與這里所描述的任意磁性生物傳感器一起被使用的一種樣品容器。雖然在圖40中未被所示出，但是多個(gè)磁性生物傳感器可以被置于每個(gè)微流體通道482下面。每個(gè)微流體通道482的底面可以包括在多個(gè)磁性生物傳感器中的每個(gè)磁性生物傳感器上面的被附著到所述底面的多個(gè)捕獲抗體。在一些示例中，在多個(gè)磁性生物傳感器中的每個(gè)磁性生物傳感器上面的多個(gè)捕獲抗體在一個(gè)微流體通道482內(nèi)是相同的。在其它示例中，不同的捕獲抗體可以被附著在不同的磁性生物傳感器上面。類似地，在一些示例中，不同的捕獲抗體被附著在微流體通道482中的不同微流體通道中。在其它示例中，相同的捕獲抗體被附著在每個(gè)微流體通道482中。
[0141]微流體通道482可以被用作用于各種情形中的磁性生物感測(cè)系統(tǒng)的樣品容器，所述各種情形包括基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)、疾病控制和診斷、藥物發(fā)現(xiàn)和環(huán)境監(jiān)控。此外，微流體通道482可以被用于測(cè)試在一定體積范圍內(nèi)的樣品。在一些實(shí)例中，微流體通道482的尺寸可以被選擇為包含所選擇的體積?；?0可以被用于測(cè)試的總體積可以通過例如在基板480中形成更多個(gè)微流體通道482、增大微流體通道482的大小或者提高樣品經(jīng)過微流體通道的流速而被增大。然而，在一些示例中，增大利用微流體通道482在合理的時(shí)間段內(nèi)所測(cè)試的樣品的體積的這些選擇中的一個(gè)或多個(gè)選擇可能不是可行的。在這些示例中的一些示例中，反應(yīng)阱或樣品阱可以作為替代而被使用，例如圖34中所示的反應(yīng)阱422。
[0142]圖41是圖示了另一示例磁性生物傳感器的概念圖。磁性生物傳感器490包括第一鐵磁層492和第二鐵磁層494。第一鐵磁層492可以擁有在所施加的磁場(chǎng)作用下可以旋轉(zhuǎn)的磁矩510 (即，第一鐵磁層492為自由層)。在一些示例中，如圖41中所示，磁矩510可以具有定向與第一鐵磁層492的主平面平行的磁性穩(wěn)定狀態(tài)510a(在沒有所施加的磁場(chǎng)的情況下)。在其它示例中，磁矩510可以具有定向在第一鐵磁層492的主平面以外(例如基本垂直于第一鐵磁層492的主平面)的磁性穩(wěn)定狀態(tài)510a(在沒有所施加的磁場(chǎng)的情況下)。
[0143]第二鐵磁層494可以擁有磁矩518，在磁性生物傳感器490被設(shè)計(jì)為在使用期間暴露于其中的磁場(chǎng)作用下，磁矩518的定向基本固定(即，第二鐵磁層494為固定層)。第二鐵磁層494被反鐵磁性地耦合到固定磁矩518的定向的反鐵磁性層496。如圖41中所示，在一些示例中，磁矩518的定向可以在第二鐵磁層494的主平面以外，例如基本垂直于第二鐵磁層494的主平面。在其它示例中，磁矩518的定向可以平行于第二鐵磁層494的主平面。
[0144]第一鐵磁層492和第二鐵磁層494中的每一個(gè)可以由以上所描述的鐵磁材料形成。
[0145]非磁性層500連接第一鐵磁層492和第二鐵磁層494。第一鐵磁層492被形成為與非磁性層500的第一端相鄰并且第二鐵磁層494被形成為與非磁性層500的第二端相鄰。在一些示例中，非磁性層500可以例如由半導(dǎo)體構(gòu)成，例如石墨、硫化鑰(MoS2)或者另一半導(dǎo)體材料。在其它示例中，非磁性層500可以由諸如銅(Cu)、銀(Ag)等之類的另一非磁性材料構(gòu)成。
[0146]雖然在圖41中未被示出，但是多個(gè)捕獲抗體可以被附著到第一鐵磁層或者形成在第一鐵磁層上面的層的表面，例如樣品容器的底面(圖41中未被示出))上。所述多個(gè)捕獲抗體可以被配置為捕獲或結(jié)合到所選擇的抗原。如上所述，樣品可以包括所選擇的抗原，并且試劑可以包括經(jīng)磁標(biāo)記的抗原。一種經(jīng)磁標(biāo)記的抗原506在圖41中示出。經(jīng)磁標(biāo)記的抗原506可以包括磁標(biāo)記，例如被結(jié)合到所選擇的抗原的MNP或磁性微球。
[0147]在使用時(shí),磁性生物傳感器490被暴露于所施加的垂直磁場(chǎng)519 (例如定向與第一磁性層492的主平面基本垂直的磁場(chǎng))中。樣品和試劑可以被置于樣品容器(圖41中未示出)中并且所選擇的抗原(經(jīng)磁標(biāo)記的或者未被標(biāo)記的)可以被允許結(jié)合到捕獲抗體。取決于樣品中所選擇的抗原的濃度，多個(gè)經(jīng)磁標(biāo)記的抗原506可以被相應(yīng)數(shù)目的捕獲抗體捕獲。一旦結(jié)合完成，樣品和試劑可以從樣品容器中被移除并且該容器被清洗以去除任何多余的未被標(biāo)記的抗原以及經(jīng)磁標(biāo)記的抗原506。以上技術(shù)是兩層技術(shù)，類似于參考圖2A和2B所描述的技術(shù)。在其它示例中，磁性生物傳感器490可以被用在類似于針對(duì)圖3A-3D所描述的技術(shù)的三層技術(shù)中。
[0148]如圖41中所示，第一鐵磁層492可以被連接到電流源502。在未被標(biāo)記的抗原和經(jīng)磁標(biāo)記的抗原506已被允許結(jié)合到捕獲抗體之后，電流可以由電流源502施加于第一鐵磁層492。被捕獲的經(jīng)磁標(biāo)記的抗原506產(chǎn)生磁場(chǎng)508,該磁場(chǎng)可以影響第一鐵磁層492的磁矩510的定向。當(dāng)電流被施加于第一鐵磁層492時(shí)，電荷電子(用線512表不)和具有某種自旋狀態(tài)(例如向上或向下，看哪個(gè)方向與第一鐵磁層492的磁定向更類似)的散射電子(用線514表示)在包括第一鐵磁層492的閉環(huán)電路中移動(dòng)。但是，具有相反自旋的散射電子(用線516表示)將擴(kuò)散經(jīng)過石墨層500到達(dá)磁性生物傳感器490的另一側(cè)(例如到達(dá)與第二鐵磁層494相鄰的石墨層的部分)。磁矩518和與第二鐵磁層494相鄰的散射電子的自旋相對(duì)定向影響被連接到電壓源504的閉環(huán)電路的阻值。通過測(cè)量該阻值，樣品中的抗原的濃度可以被確定，例如利用針對(duì)圖2A，2B和3A-3D所描述的校準(zhǔn)曲線。圖41中所示的生物傳感器配置可以利用電流與平面垂直(CPP)的GMR和MTJ傳感器類型兩者并且可以與這里所描述的任意樣品容器和/或磁性生物感測(cè)系統(tǒng)一起被使用。
[0149]在一些示例中，生物磁性傳感器490可以被集成到包括被并聯(lián)連接的多個(gè)傳感器490的更大的傳感器中。圖42是被并聯(lián)連接在單一磁性生物傳感器520中的多個(gè)傳感器490的概念圖。在圖42的示例中，單個(gè)檢測(cè)疊層542被使用，多個(gè)傳感器疊層522a_522d (總地稱為“傳感器疊層522” )被連接到單個(gè)檢測(cè)疊層542。每個(gè)傳感器疊層522包括自由磁性層526a_526d(總地稱為“自由磁性層526”)中的相應(yīng)的一個(gè)自由磁性層。每個(gè)自由磁性層526被連接到底部電極528a-528d(總地稱為“底部電極528”)中的相應(yīng)的一個(gè)底部電極。每個(gè)底部電極528被連接到電流源(圖42中未被示出)。每個(gè)自由磁性層526還被形成為與非磁性層524的端部相鄰(例如被連接到或者接近所述端部)。
[0150]非磁性層524還被連接到檢測(cè)器疊層542。在圖42的示例中，非磁性層524的另一端與固定磁性層534相鄰(例如被連接到或者接近固定磁性層534)，固定磁性層534與反鐵磁層536相鄰并且被反鐵磁性地耦合到反鐵磁層536。反鐵磁層536被附接到檢測(cè)器電極538，檢測(cè)器電極538被電連接到電壓源540。非磁性層524還在接近檢測(cè)器疊層542的位置處被電連接到電壓源540。
[0151]此外，多個(gè)捕獲抗體530在每個(gè)傳感器疊層522上。捕獲抗體530可以被附著于非磁性層524的上表面，如圖42中所示，或者被附著于被置于生物傳感器520上面的樣品容器的底面。
[0152]與圖41中所示的生物傳感器490類似，當(dāng)經(jīng)磁標(biāo)記的抗原532已被允許結(jié)合到捕獲抗體時(shí)，磁性標(biāo)記所產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以影響每個(gè)自由磁性層526的磁矩的定向。當(dāng)電流例如利用底部電極528中的相應(yīng)的底部電極被施加于每個(gè)自由磁性層526時(shí)，電荷電子和具有某種自旋狀態(tài)(例如向上或向下，看哪個(gè)方向與自由磁性層526的磁定向更類似)的散射電子在包括自由磁性層526和底部電極528的閉環(huán)電路中移動(dòng)。但是,具有相反自旋的散射電子將擴(kuò)散經(jīng)過非磁性層524到達(dá)與檢測(cè)器疊層542相鄰的磁性生物傳感器520的另一偵1K固定磁性層534的磁矩和與固定磁性層534相鄰的散射電子的自旋的相對(duì)定向影響被連接到電壓源540的檢測(cè)器疊層542的阻值。通過測(cè)量該阻值，樣品中的抗原的濃度可以被確定，例如利用針對(duì)圖2k, 2B和3A-3D所描述的校準(zhǔn)曲線。因?yàn)槎鄠€(gè)傳感器疊層522被并聯(lián)連接到單個(gè)檢測(cè)器疊層542，所以磁性生物傳感器520可能對(duì)于具有低濃度抗原的樣品尤其有用，因?yàn)樵诿總€(gè)傳感器疊層522處的散射效果在檢測(cè)器疊層542處被相加。圖42中所示的生物傳感器配置可以利用電流與平面垂直(CPP)的GMR和MTJ傳感器類型兩者并且可以與這里所描述的任意樣品容器和/或磁性生物感測(cè)系統(tǒng)一起被使用。
[0153]多種磁性生物傳感器、磁性生物傳感器陣列和磁性生物感測(cè)系統(tǒng)的替代配置已在這里被描述。雖然不是所有可能的配置都被明確地描述為可以一起使用，但是普通技術(shù)人員將理解各種傳感器、陣列和系統(tǒng)可以按多種不同的方式被組合。此外，雖然該描述主要針對(duì)于樣品阱，但是，如上所述，代替或者除了樣品阱以外，磁性生物傳感器、磁性生物傳感器陣列和磁性生物感測(cè)系統(tǒng)可以與微流體通道一起被使用。
[0154]各種示例已被描述。例如,示例磁性生物傳感器、生物傳感器陣列和感測(cè)系統(tǒng)已被描述。這些示例中的任意示例可以結(jié)合其它示例被使用。這些及其它示例在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種磁性生物傳感器,包括: 包括自由層和固定層的磁性傳感器，其中在沒有外部磁場(chǎng)的情況下，所述自由層或所述固定層中的至少一個(gè)具有相應(yīng)地定向在所述自由層或者所述固定層的主平面以外的磁矩； 被置于磁性疊層上的樣品容器； 被附著到所述磁性疊層上方的所述樣品容器的底面的多個(gè)捕獲抗體；以及 磁場(chǎng)發(fā)生器，被配置為產(chǎn)生與所述自由層或固定層的所述主平面基本垂直的磁場(chǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性生物傳感器，還包括被置于所述樣品容器中的多個(gè)磁標(biāo)記的抗原，其中所述多個(gè)捕獲抗體中的至少一個(gè)捕獲抗體被配置為捕獲所述多個(gè)磁標(biāo)記的抗原中的至少一個(gè)，其中所述多個(gè)磁標(biāo)記的抗原中的每一個(gè)抗原包括與磁性納米粒子(MNP)結(jié)合的抗原，并且其中所述MNP限定小于大約100納米的直徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性生物傳感器，還包括被置于所述樣品容器中的多個(gè)磁標(biāo)記的抗原，其中所述多個(gè)捕獲抗體中的至少一個(gè)捕獲抗體被配置為捕獲所述多個(gè)磁標(biāo)記的抗原中的至少一個(gè)，其中所述多個(gè)磁標(biāo)記的抗原中的每一個(gè)抗原包括與磁性微珠結(jié)合的抗原，并且其中所述 磁性微珠限定在大約I微米與大約2微米之間的直徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的磁性生物傳感器，其中在沒有所述外部磁場(chǎng)的情況下所述固定層的磁矩定向在所述固定層的主平面以外，并且在沒有所述外部磁場(chǎng)的情況下所述自由層的磁矩定向?yàn)榕c所述自由層的主平面平行。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁性生物傳感器，其中在沒有所述外部磁場(chǎng)的情況下所述固定層的磁矩定向?yàn)榛九c所述固定層的主平面垂直。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的磁性生物傳感器，其中在沒有所述外部磁場(chǎng)的情況下所述自由層的磁矩定向在所述自由層的主平面以外，并且在沒有所述外部磁場(chǎng)的情況下所述固定層的磁矩定向?yàn)榕c所述固定層的主平面平行。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的磁性生物傳感器，其中在沒有所述外部磁場(chǎng)的情況下所述自由層的磁矩定向?yàn)榛九c所述自由層的主平面垂直。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的磁性生物傳感器，其中在沒有所述外部磁場(chǎng)的情況下所述自由層的磁矩定向在所述自由層的主平面以外，并且在沒有所述外部磁場(chǎng)的情況下所述固定層的磁矩定向在所述固定層的主平面以外。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的磁性生物傳感器，其中在沒有所述外部磁場(chǎng)的情況下所述固定層的磁矩定向?yàn)榛九c所述固定層的主平面垂直，并且其中在沒有所述外部磁場(chǎng)的情況下所述自由層的磁矩定向?yàn)榛九c所述自由層的主平面垂直。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的磁性生物傳感器，其中所述磁性傳感器還包括非磁性層，其中所述非磁性層形成在所述固定層上，并且其中所述自由層形成在所述非磁性層上。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的磁性生物傳感器，其中所述磁性傳感器還包括非磁性層，其中所述非磁性層形成在所述自由層上，并且其中所述固定層形成在所述非磁性層上。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的磁性生物傳感器，其中所述磁性傳感器還包括: 包括第一端和第二端的非磁性層，其中所述自由層形成為與所述第一端相鄰并且所述固定層形成為與所述第二端相鄰， 被電耦合到所述自由層和所述非磁性層的第一端的電流源；以及 被電耦合到所述固定層和所述非磁性層的第二端的電壓源，其中所述電壓源被配置為測(cè)量所述固定層和所述非磁性層的第二端的磁阻。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的磁性生物傳感器，其中所述自由磁性層包括多個(gè)自由磁性層，其中所述非磁性層包括多個(gè)第一端，并且其中所述多個(gè)自由磁性層中的相應(yīng)的自由磁性層形成為與所述多個(gè)第一端中的相應(yīng)的第一端相鄰，并且其中所述自由磁性層中的每個(gè)自由磁性層被電耦合到所述電流源。
14.一種磁性生物傳感器陣列，包括: 沿所述磁性生物傳感器陣列的至少一個(gè)周邊放置的多個(gè)電觸點(diǎn)； 樣品容器； 多個(gè)磁性生物傳感器，每個(gè)磁性生物傳感器放置為與所述樣品容器的表面相鄰并且包括磁性傳感器，所述磁性傳感器包括自由層和固定層，其中在沒有外部磁場(chǎng)的情況下，所述自由層或所述固定 層中的至少一個(gè)具有相應(yīng)地定向在所述自由層或者所述固定層的主平面以外的磁矩；以及 被附著到所述樣品容器的表面的多個(gè)捕獲抗體。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的磁性生物傳感器陣列，其中所述多個(gè)磁性生物傳感器中的每個(gè)磁性生物傳感器包括磁性隧道結(jié)傳感器、巨磁阻傳感器或者霍爾傳感器中的至少一個(gè)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15中任一項(xiàng)所述的磁性生物傳感器陣列，其中所述多個(gè)電觸點(diǎn)中的相應(yīng)的一個(gè)或多個(gè)電觸點(diǎn)被電耦合到所述多個(gè)磁性生物傳感器中的相應(yīng)的一個(gè)或多個(gè)磁性生物傳感器，并且其中所述多個(gè)電觸點(diǎn)中的相應(yīng)的電觸點(diǎn)被配置為接觸多個(gè)探針中的相應(yīng)的探針以將感測(cè)到的測(cè)試數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算設(shè)備。
17.根據(jù)權(quán)利要求14-16中任一項(xiàng)所述的磁性生物傳感器陣列，其中所述樣品容器包括樣品阱或微流體通道中的至少一個(gè)。
18.根據(jù)權(quán)利要求14-17中任一項(xiàng)所述的磁性生物傳感器陣列，其中所述多個(gè)捕獲抗體包括多個(gè)第一捕獲抗體和多個(gè)第二捕獲抗體，其中所述多個(gè)第一捕獲抗體被附著到在所述多個(gè)磁性生物傳感器中的第一磁性生物傳感器上方的所述樣品容器的底面，并且其中所述多個(gè)第二捕獲抗體被附著到在所述多個(gè)磁性生物傳感器中的第二磁性生物傳感器上方的所述樣品容器的底面。
19.根據(jù)權(quán)利要求14-18中任一項(xiàng)所述的磁性生物傳感器陣列，其中所述樣品容器限定大約40微升的體積。
20.根據(jù)權(quán)利要求14-18中任一項(xiàng)所述的磁性生物傳感器陣列，其中所述樣品容器限定大約4毫升的體積。
21.根據(jù)權(quán)利要求14-20中任一項(xiàng)所述的磁性生物傳感器陣列，其中在沒有所述外部磁場(chǎng)的情況下所述固定層的磁矩定向在所述固定層的主平面以外，并且在沒有所述外部磁場(chǎng)的情況下所述自由層的磁矩定向?yàn)榕c所述自由層的主平面平行。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的磁性生物傳感器陣列，其中在沒有所述外部磁場(chǎng)的情況下所述固定層的磁矩定向?yàn)榛九c所述固定層的主平面垂直。
23.根據(jù)權(quán)利要求14-20中任一項(xiàng)所述的磁性生物傳感器陣列，其中在沒有所述外部磁場(chǎng)的情況下所述自由層的磁矩定向在所述自由層的主平面以外，并且在沒有所述外部磁場(chǎng)的情況下所述固定層的磁矩定向?yàn)榕c所述固定層的主平面平行。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的磁性生物傳感器陣列，其中在沒有所述外部磁場(chǎng)的情況下所述自由層的磁矩定向?yàn)榛九c所述自由層的主平面垂直。
25.根據(jù)權(quán)利要求14-20中任一項(xiàng)所述的磁性生物傳感器陣列，其中在沒有所述外部磁場(chǎng)的情況下所述自由層的磁矩定向在所述自由層的主平面以外，并且在沒有所述外部磁場(chǎng)的情況下所述固定層的磁矩定向在所述固定層的主平面以外。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的磁性生物傳感器陣列，其中在沒有所述外部磁場(chǎng)的情況下所述固定層的磁矩定向?yàn)榛九c所述固定層的主平面垂直，并且其中在沒有所述外部磁場(chǎng)的情況下所述自由層 的磁矩定向?yàn)榛九c所述自由層的主平面垂直。
27.根據(jù)權(quán)利要求14-26中任一項(xiàng)所述的磁性生物傳感器陣列，其中所述多個(gè)磁性生物傳感器中的至少一個(gè)磁性生物傳感器中的磁性傳感器還包括非磁性層，其中所述非磁性層被形成在所述固定層上，并且其中所述自由層被形成在所述非磁性層上。
28.根據(jù)權(quán)利要求14-26中任一項(xiàng)所述的磁性生物傳感器陣列，其中所述多個(gè)磁性生物傳感器中的至少一個(gè)磁性生物傳感器中的磁性傳感器還包括非磁性層，其中所述非磁性層被形成在所述自由層上，并且其中所述固定層被形成在所述非磁性層上。
29.根據(jù)權(quán)利要求14-26中任一項(xiàng)所述的磁性生物傳感器陣列，其中所述多個(gè)磁性生物傳感器中的至少一個(gè)磁性生物傳感器中的磁性傳感器還包括: 包括第一端和第二端的非磁性層，其中所述自由層形成為與所述第一端相鄰并且所述固定層形成為與所述第二端相鄰， 被電耦合到所述自由層和所述非磁性層的第一端的電流源；以及 被電耦合到所述固定層和所述非磁性層的第二端的電壓源，其中所述電壓源被配置為測(cè)量所述固定層和所述非磁性層的第二端的磁阻。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的磁性生物傳感器陣列，其中所述自由磁性層包括多個(gè)自由磁性層，其中所述非磁性層包括多個(gè)第一端，并且其中所述多個(gè)自由磁性層中的相應(yīng)的自由磁性層形成為與所述多個(gè)第一端中的相應(yīng)的第一端相鄰，并且其中所述自由磁性層中的每個(gè)自由磁性層被電耦合到所述電流源。
31.一種磁性生物感測(cè)系統(tǒng)，包括: 包括多個(gè)探針的探針陣列； 根據(jù)權(quán)利要求14至30中任一項(xiàng)所述的磁性生物傳感器，其中所述多個(gè)電觸點(diǎn)沿傳感器芯片的至少一個(gè)邊放置并且被配置為接收所述多個(gè)探針中的相應(yīng)的探針； 電機(jī)，配置為移動(dòng)所述探針陣列去往和遠(yuǎn)離所述磁性生物傳感器陣列以將所述多個(gè)探針和所述多個(gè)電觸點(diǎn)接合和分離；以及 磁場(chǎng)發(fā)生器，位于所述磁性生物傳感器陣列下面以沿與所述磁性生物傳感器陣列的主平面垂直的方向施加電磁場(chǎng)。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的磁性感測(cè)系統(tǒng)，其中根據(jù)權(quán)利要求14至30中任一項(xiàng)所述的磁性生物傳感器陣列包括多個(gè)根據(jù)權(quán)利要求14至30中任一項(xiàng)所述的磁性生物傳感器陣列。
33.根據(jù)權(quán)利要求31或32所述的磁性生物感測(cè)系統(tǒng)，還包括旋轉(zhuǎn)臺(tái)，其中所述多個(gè)磁性生物傳感器陣列被置于所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，并且其中所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)被配置為旋轉(zhuǎn)所述多個(gè)磁性生物傳感器陣列中的在所述探針陣列下面的相應(yīng)的一個(gè)磁性生物傳感器陣列。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的磁性生物感測(cè)系統(tǒng)，還包括控制所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)的步進(jìn)電機(jī)。
35.根據(jù)權(quán)利要求31-34中任一項(xiàng)所述的磁性生物感測(cè)系統(tǒng)，還包括線性致動(dòng)器或電機(jī)中的至少一個(gè)，其中所述線性致動(dòng)器或所述電機(jī)中的所述至少一個(gè)移動(dòng)所述探針陣列。
36.根據(jù)權(quán)利要求31-35中任一項(xiàng)所述的磁性生物感測(cè)系統(tǒng)，其中所述探針陣列還包括被配置為將溶液分發(fā)到所述樣品容器中的多個(gè)樣品分發(fā)器。
37.一種用于形成磁性生物傳感器的方法，所述方法包括: 形成包括自由層和固定層的磁性傳感器，其中在沒有外部磁場(chǎng)的情況下，所述自由層或所述固定層中的至少一個(gè)具有相應(yīng)地定向在所述自由層或者所述固定層的主平面以外的磁矩； 在所述磁性疊層上放置樣品容器；并且 將多個(gè)捕獲抗體附著到所述磁性疊層上方的所述樣品容器的底面。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的方法，還包括: 放置磁場(chǎng)發(fā)生器，所述磁場(chǎng)發(fā)生器被配置為產(chǎn)生與所述磁性疊層相鄰的所述自由層或固定層的主平面基本垂直的所施加的磁場(chǎng)。
39.根據(jù)權(quán)利要求37或38所述的方法，其中所述磁性傳感器包括巨磁阻(GMR)磁性傳感器、磁隧道結(jié)(MTJ)磁性傳感器、巨磁阻抗(GMI)磁性傳感器或霍爾磁性傳感器之一。
40.根據(jù)權(quán)利要求37-39中任一項(xiàng)所述的方法，其中形成包括所述自由層和所述固定層的所述磁性傳感器包括形成磁性傳感器包括: 形成包括第一端和第二端的非磁性層； 形成與所述第一端相鄰的所述自由層； 形成與所述第二端相鄰的所述固定層； 將電流源耦合到所述自由層和所述非磁性層的第一端；以及 將電壓源耦合到所述固定層和所述非磁性層的第二端，其中所述電壓源被配置為測(cè)量所述固定層和所述非磁性層的第二端的磁阻。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的方法，其中所述自由磁性層包括多個(gè)自由磁性層，其中所述非磁性層包括多個(gè)第一端，并且其中所述多個(gè)自由磁性層中的相應(yīng)的自由磁性層形成為與所述多個(gè)第一端中的相應(yīng)的第一端相鄰，并且其中所述自由磁性層中的每個(gè)自由磁性層被電耦合到所述電流源。
【文檔編號(hào)】G01N15/06GK103987654SQ201280060682
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2012年10月19日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月19日
【發(fā)明者】王建平, M·T·拉曼, 王一 申請(qǐng)人:明尼蘇達(dá)大學(xué)董事會(huì)