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文檔簡介
1、巨磁阻抗(Giant Magnetoimpedance,GMI)效應自從1992年被日本名古屋大學毛利家雄教授發(fā)現(xiàn)以來,其巨大的應用前景很快吸引了全球各國學者的關注。基于GMI效應的磁傳感器因其高靈敏度、響應速度快等獨特的優(yōu)勢很快在磁傳感領域占有了一席之地。而隨著以微機電系統(tǒng)(MEMS)技術和大規(guī)模集成電路技術為代表的高新技術的發(fā)展,把GMI傳感器推向了微型化、集成化和智能化方向,使得其在生物醫(yī)學領域的應用更加寬廣?;贕MI效應的生物
2、傳感器是以磁性納米粒子或以磁性納米粒子構成的磁珠為標簽,利用高靈敏度的GMI磁傳感器來實現(xiàn)對生物分子信息的檢測。基于GMI效應的生物傳感器還處在初步階段,需要不斷探索新的應用領域。GMI磁傳感器在生物醫(yī)學領域的應用面臨的主要挑戰(zhàn)是高性能GMI傳感器的制備以及檢測方面,如檢測的穩(wěn)定性、可靠性等。還有一些基本問題如線性度、檢測極限等。目前,在對GMI效應的研究過程中,發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)果往往與理論結(jié)果還有很大的差距,因此理論研究需要進一步的深入。在
3、GMI材料方面,還需要進一步探索和優(yōu)化制備條件,如退火處理,幾何尺寸等,尋求最佳的制備工藝條件,制備高性能的GMI傳感器,使其在檢測更低濃度的生物分子方面成為可能。
大腸桿菌O157:H7是腸出血性大腸桿菌的主要血清型,能夠?qū)е赂鼓ぱ住⒊鲅阅c炎、膽囊炎、闌尾炎和尿道炎等疾病,嚴重者甚至死亡。該菌的流行爆發(fā)大多與食用該菌污染的食物有關,因此建立快速、高靈敏度的檢查方法具有重要意義。C反應蛋白(CRP)是由肝細胞合成,在人的血清
4、、腦脊髓液(CSF)、胸腹水等多種體液中均可被檢測。微生物入侵、炎癥和組織損傷可使CRP水平迅速升高,48小時即可達峰值,甚至可高3000倍,因此CRP的檢測具有非常重要的意義。肌紅蛋白(Mb)是一種含鐵卟啉的紅色蛋白,其功能是運輸和貯存氧,存在于心肌和骨骼肌,相對分子質(zhì)量較低,為17800,是一種有新看法的老標志物。目前普遍用作急性心肌梗死(AMI)的早期診斷。
基于以上考慮,本文重點開展了曲折型薄帶的GMI效應理論研究、G
5、MI傳感器的MEMS制備技術以及性能研究、生物分子自組裝膜工藝研究以及基于GMI效應的生物標志物的檢測研究,包括細菌和心臟標志物C反應蛋白和肌紅蛋白的檢測研究。主要研究工作如下:
1.從電感和電阻各自貢獻于阻抗的角度建立了曲折型薄帶的GMI理論模型。研究了尺寸(長度,以及寬度)對單條以及曲折多匝薄帶GMI效應的影響,以及匝數(shù)、曲折狀間距和曲折結(jié)構對GMI效應的影響。結(jié)果表明尺寸、曲折匝數(shù)、曲折狀間距以及曲折結(jié)構對薄帶GMI效應
6、的峰值和磁場靈敏度均產(chǎn)生了顯著的影響。
2.以商品化Co基非晶薄帶作為GMI傳感器材料,采用不同的磁場退火方式,對非晶薄帶進行磁場預退火處理。運用微細加工工藝制備了不同尺寸以及不同結(jié)構(單條結(jié)構和曲折狀結(jié)構)的薄帶GMI傳感器。其次結(jié)合微電鍍工藝,制備了三層10匝的NiFe/Cu/NiFe薄膜GMI傳感器。對GMI效應研究發(fā)現(xiàn),不同的磁場退火溫度和不同的磁場退火方式都對GMI效應產(chǎn)生了顯著的影響。長度和寬度對單條結(jié)構和曲折結(jié)構
7、的GMI效應影響表現(xiàn)相同。隨著長度增加,GMI效應增加;隨著寬度增加,GMI效應下降。此外,間距對曲折結(jié)構GMI效應的影響不明顯。隨著匝數(shù)的增加,GMI效應增加,但是匝數(shù)太多,尺寸過大,對于生物傳感測試不太理想。因此采用380℃橫向磁場退火薄帶,設計較小的寬度和適當?shù)拈L度以及適當?shù)拈g距的多匝曲折狀薄帶GMI傳感器更適用于生物傳感檢測。同時發(fā)現(xiàn)制備的曲折6匝薄膜傳感器的性能存在差異化,原因是電鍍的NiFe薄膜的性能差異化,因此在生物檢測應
8、用方面,需要優(yōu)化選取高性能的薄膜GMI傳感器。
3.研究了巰基丙酸單分子自組裝膜工藝,采用了SEM、AFM、XPS等深入研究自組裝膜的質(zhì)量與自組裝膜的工藝條件如溶液濃度、組裝時間等之間的關系,優(yōu)化出最佳的自組裝膜工藝條件。同時也對EDC和NHS最佳活化時間進行探究。此外研究了細菌O157:H7單克隆抗體的固定與溫度、時間的關系,探索合理的固定條件。結(jié)果表明,最佳組裝濃度為20 mmol/l,組裝時間為2小時,活化時間為2小時,
9、單克隆抗體固定的最佳方式為4℃過夜24小時。
4.采用MEMS技術制作了可控的Au薄膜單元以及含Au薄膜單元的開放式微流控部件。開放式微流控部件僅在Au薄膜表面制作了儲液室,用于進行免疫反應,結(jié)構簡單,便于清洗和去除非免疫成份和磁珠。也便于在電鏡下觀察免疫磁珠是否固定在Au膜單元上及其分布。GMI傳感器對大腸桿菌的檢測,采用了電鍍NiFe/Cu/NiFe三層10匝薄膜 GMI傳感器。GMI傳感器結(jié)合磁標記的雙抗夾心免疫檢測方法
10、對大腸桿菌實現(xiàn)了高靈敏檢測、特異性檢測,以及定量檢測。采用分離式檢測的方法,運用1μm磁珠進行捕獲和標記大腸桿菌O157:H7,將含不同濃度(100,300,500 cfu/ml)細菌樣品的Au單元置于傳感器的上方,研究發(fā)現(xiàn)檢測100 cfu/ml O157:H7時,GMI變化可達到27.4%,實現(xiàn)了高靈敏檢測。其次采用2.8μm磁珠進行捕獲和標記細菌,將含不同濃度(50-1000 cfu/ml)的細菌樣品的開放式微流控部件分別置于傳感
11、器的邊上,實現(xiàn)了對大腸桿菌的定量檢測,線性檢測范圍為50-500 cfu/ml,檢測極限為50 cfu/ml。此外,采用志賀氏桿菌(Shigella)作為非特異性目標分子,進行了非特異性檢測,結(jié)果發(fā)現(xiàn)觀測不到明顯的陽性信號。GMI生物傳感器在細菌檢測方面的應用還處于初步階段,本文實現(xiàn)了高靈敏、快速檢測,為將來不同種類細菌檢測開辟了新的途徑。
5.首先采用MEMS技術制備了集成Au膜的薄帶GMI傳感器,對不同尺寸(1μm和2.8
12、μm)和不同濃度(1-100μg/ml)磁珠進行原位檢測,檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)薄帶GMI傳感器對1μm磁珠的檢測極限為5μg/ml,而可以檢測到1μg/ml的2.8μm磁珠。這為后面薄帶GMI生物傳感器檢測C反應蛋白提供了基礎。結(jié)合雙抗夾心免疫分析,采用原位測量的方法,薄帶GMI生物傳感器實現(xiàn)了對心臟標識物C反應蛋白和肌紅蛋白的定量檢測,線性檢測范圍均為1-10 ng/ml,檢測下限分別為1 ng/ml和0.5 ng/ml。其次,利用MEMS技
13、術制備了封閉式的微流控部件,采用分離式檢測方法,NiFe/Cu/NiFe三層薄膜GMI傳感器對C反應蛋白和肌紅蛋白實現(xiàn)了超靈敏聯(lián)合檢測,檢測下限分別為1 pg/ml和0.1 pg/m,檢測上限分別為100 ng/ml和80 ng/ml。對兩種標志物的定量檢測分別在低濃度和高濃度范圍內(nèi)實現(xiàn),C反應蛋白的線性檢測區(qū)間為1 pg/ml-10 ng/ml和10-100 ng/ml,肌紅蛋白的線性檢測區(qū)間為0.1 pg/ml-1 ng/ml和1-
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