基于软磁材料巨磁阻抗效应的生物标志物检测方法研究

摘要

巨磁阻抗(Giant Magnetoimpedance，GMI)效应自从1992年被日本名古屋大学毛利家雄教授发现以来，其巨大的应用前景很快吸引了全球各国学者的关注。基于GMI效应的磁传感器因其高灵敏度、响应速度快等独特的优势很快在磁传感领域占有了一席之地。而随着以微机电系统(MEMS)技术和大规模集成电路技术为代表的高新技术的发展，把GMI传感器推向了微型化、集成化和智能化方向，使得其在生物医学领域的应用更加宽广。基于GMI效应的生物传感器是以磁性纳米粒子或以磁性纳米粒子构成的磁珠为标签，利用高灵敏度的GMI磁传感器来实现对生物分子信息的检测。基于GMI效应的生物传感器还处在初步阶段，需要不断探索新的应用领域。GMI磁传感器在生物医学领域的应用面临的主要挑战是高性能GMI传感器的制备以及检测方面，如检测的稳定性、可靠性等。还有一些基本问题如线性度、检测极限等。目前，在对GMI效应的研究过程中，发现实验结果往往与理论结果还有很大的差距，因此理论研究需要进一步的深入。在GMI材料方面，还需要进一步探索和优化制备条件，如退火处理，几何尺寸等，寻求最佳的制备工艺条件，制备高性能的GMI传感器，使其在检测更低浓度的生物分子方面成为可能。
　　大肠杆菌O157：H7是肠出血性大肠杆菌的主要血清型，能够导致腹膜炎、出血性肠炎、胆囊炎、阑尾炎和尿道炎等疾病，严重者甚至死亡。该菌的流行爆发大多与食用该菌污染的食物有关，因此建立快速、高灵敏度的检查方法具有重要意义。C反应蛋白(CRP)是由肝细胞合成，在人的血清、脑脊髓液(CSF)、胸腹水等多种体液中均可被检测。微生物入侵、炎症和组织损伤可使CRP水平迅速升高，48小时即可达峰值，甚至可高3000倍，因此CRP的检测具有非常重要的意义。肌红蛋白(Mb)是一种含铁卟啉的红色蛋白，其功能是运输和贮存氧，存在于心肌和骨骼肌，相对分子质量较低，为17800，是一种有新看法的老标志物。目前普遍用作急性心肌梗死(AMI)的早期诊断。
　　基于以上考虑，本文重点开展了曲折型薄带的GMI效应理论研究、GMI传感器的MEMS制备技术以及性能研究、生物分子自组装膜工艺研究以及基于GMI效应的生物标志物的检测研究，包括细菌和心脏标志物C反应蛋白和肌红蛋白的检测研究。主要研究工作如下：
　　1．从电感和电阻各自贡献于阻抗的角度建立了曲折型薄带的GMI理论模型。研究了尺寸（长度，以及宽度）对单条以及曲折多匝薄带GMI效应的影响，以及匝数、曲折状间距和曲折结构对GMI效应的影响。结果表明尺寸、曲折匝数、曲折状间距以及曲折结构对薄带GMI效应的峰值和磁场灵敏度均产生了显著的影响。
　　2．以商品化Co基非晶薄带作为GMI传感器材料，采用不同的磁场退火方式，对非晶薄带进行磁场预退火处理。运用微细加工工艺制备了不同尺寸以及不同结构（单条结构和曲折状结构）的薄带GMI传感器。其次结合微电镀工艺，制备了三层10匝的NiFe/Cu/NiFe薄膜GMI传感器。对GMI效应研究发现，不同的磁场退火温度和不同的磁场退火方式都对GMI效应产生了显著的影响。长度和宽度对单条结构和曲折结构的GMI效应影响表现相同。随着长度增加，GMI效应增加；随着宽度增加，GMI效应下降。此外，间距对曲折结构GMI效应的影响不明显。随着匝数的增加，GMI效应增加，但是匝数太多，尺寸过大，对于生物传感测试不太理想。因此采用380℃横向磁场退火薄带，设计较小的宽度和适当的长度以及适当的间距的多匝曲折状薄带GMI传感器更适用于生物传感检测。同时发现制备的曲折6匝薄膜传感器的性能存在差异化，原因是电镀的NiFe薄膜的性能差异化，因此在生物检测应用方面，需要优化选取高性能的薄膜GMI传感器。
　　3．研究了巯基丙酸单分子自组装膜工艺，采用了SEM、AFM、XPS等深入研究自组装膜的质量与自组装膜的工艺条件如溶液浓度、组装时间等之间的关系，优化出最佳的自组装膜工艺条件。同时也对EDC和NHS最佳活化时间进行探究。此外研究了细菌O157：H7单克隆抗体的固定与温度、时间的关系，探索合理的固定条件。结果表明，最佳组装浓度为20 mmol/l，组装时间为2小时，活化时间为2小时，单克隆抗体固定的最佳方式为4℃过夜24小时。
　　4．采用MEMS技术制作了可控的Au薄膜单元以及含Au薄膜单元的开放式微流控部件。开放式微流控部件仅在Au薄膜表面制作了储液室，用于进行免疫反应，结构简单，便于清洗和去除非免疫成份和磁珠。也便于在电镜下观察免疫磁珠是否固定在Au膜单元上及其分布。GMI传感器对大肠杆菌的检测，采用了电镀NiFe/Cu/NiFe三层10匝薄膜 GMI传感器。GMI传感器结合磁标记的双抗夹心免疫检测方法对大肠杆菌实现了高灵敏检测、特异性检测，以及定量检测。采用分离式检测的方法，运用1μm磁珠进行捕获和标记大肠杆菌O157：H7，将含不同浓度（100，300,500 cfu/ml）细菌样品的Au单元置于传感器的上方，研究发现检测100 cfu/ml O157:H7时，GMI变化可达到27.4%，实现了高灵敏检测。其次采用2.8μm磁珠进行捕获和标记细菌，将含不同浓度（50-1000 cfu/ml）的细菌样品的开放式微流控部件分别置于传感器的边上，实现了对大肠杆菌的定量检测，线性检测范围为50-500 cfu/ml，检测极限为50 cfu/ml。此外，采用志贺氏杆菌(Shigella)作为非特异性目标分子，进行了非特异性检测，结果发现观测不到明显的阳性信号。GMI生物传感器在细菌检测方面的应用还处于初步阶段，本文实现了高灵敏、快速检测，为将来不同种类细菌检测开辟了新的途径。
　　5．首先采用MEMS技术制备了集成Au膜的薄带GMI传感器，对不同尺寸（1μm和2.8μm）和不同浓度（1-100μg/ml）磁珠进行原位检测，检测结果发现薄带GMI传感器对1μm磁珠的检测极限为5μg/ml，而可以检测到1μg/ml的2.8μm磁珠。这为后面薄带GMI生物传感器检测C反应蛋白提供了基础。结合双抗夹心免疫分析，采用原位测量的方法，薄带GMI生物传感器实现了对心脏标识物C反应蛋白和肌红蛋白的定量检测，线性检测范围均为1-10 ng/ml，检测下限分别为1 ng/ml和0.5 ng/ml。其次，利用MEMS技术制备了封闭式的微流控部件，采用分离式检测方法，NiFe/Cu/NiFe三层薄膜GMI传感器对C反应蛋白和肌红蛋白实现了超灵敏联合检测，检测下限分别为1 pg/ml和0.1 pg/m，检测上限分别为100 ng/ml和80 ng/ml。对两种标志物的定量检测分别在低浓度和高浓度范围内实现，C反应蛋白的线性检测区间为1 pg/ml-10 ng/ml和10-100 ng/ml，肌红蛋白的线性检测区间为0.1 pg/ml-1 ng/ml和1-80 ng/ml。GMI生物传感器可在30分钟内完成标识物的联合检测，具有时间短、灵敏度高的优点。极有可能将来应用于临床检测，目前已有将GMI生物传感器应用于临床的相关报道。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 GMI效应简介

1.3 生物传感器简介

1.4 微纳磁传感器简介

1.5 磁传感技术在生物医学中的应用

1.6 GMI生物传感器

1.7 本论文设计思想与研究内容

参考文献

第二章 GMI效应理论模型与计算

2.1 GMI效应的常用理论模型

2.2 软磁薄带GMI效应计算

2.3 计算结果与讨论

2.4 本章小结

参考文献

第三章 GMI传感器的制备与性能研究

3.1 GMI传感器的制备

3.2 Co基薄带GMI传感器的性能研究

3.3 NiFe/Cu/NiFe三层薄膜GMI传感器的性能研究

3.4 本章小结

参考文献

第四章 基于GMI生物传感器的大肠杆菌检测研究

4.1 大肠杆菌O157：H7的概述

4.2 大肠杆菌O157:H7检测方法研究进展

4.3 基于GMI生物传感器的大肠杆菌O157：H7检测研究

4.4 本章小结

参考文献

第五章 基于GMI生物传感器的心脏标识物检测研究

5.1 研究背景与意义

5.2 磁珠检测

5.3 心脏标志物C反应蛋白(CRP)和肌红蛋白(Mb)的检测

5.4 结合微流控技术的心脏标识物CRP和Mb的联合检测

5.5 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 主要创新点

6.3 展望

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文和申请的专利