曲折型夹心结构薄膜巨磁阻抗效应及生物传感研究

摘要

巨磁阻抗（Giant magnetoimpedance，GMI）效应自从发现伊始便获得了国内外学术界的广泛关注，因为由其可发展一种新型的高性能磁传感器，即GMI传感器。GM I传感器具有灵敏度高、响应速度快、体积小和功耗低等优点，在磁场传感、电流传感、应力传感和生物传感领域具有巨大的应用潜力。迄今为止，关于GMI效应的大部分研究还驻足在基础研究层面，而对其应用研究关注较少，特别是GMI效应在磁敏传感和生物传感领域的应用研究还处于初级阶段。基于此，本论文致力于研究GMI传感器应用于磁珠和生物标志物检测，旨在开拓GMI传感器在磁敏传感和生物传感领域的应用价值，为GMI传感器的实用化奠定基础。本论文主要包括曲折型夹心结构薄膜的GMI理论模型、微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System,MEMS）技术制造微型GMI传感器、薄膜GMI效应研究、超顺磁性磁珠检测、以及甲胎蛋白（Alpha-fetoprotein，AFP）抗原和癌胚抗原（Carcinoembryonic antigen，CEA）检测五大方面内容，同时结合了扫描电子显微镜、X射线光电子能谱、振动样品磁强计、原子力显微镜和能量色散光谱表征，形成一个理论结合实验的研究系统。主要研究成果如下：
　　1.采用MEMS技术制备出基于多层薄膜的微型GMI生物传感器（Cr/Cu/NiFe/Cu/NiFe/Al2O3/Cr/Au）。集成了金膜和软磁薄膜的GMI传感器使得在其原位进行生物分析成为可能。采用MEMS技术制备出集成微型平面线圈和夹心结构薄膜的实用型GM I传感器，此微型线圈能提供一个微小的垂直偏置磁场作用于GM I传感器，可起到偏移磁场工作点、判断磁场方向和抑制低场磁滞的作用。
　　2.建立曲折型夹心结构薄膜的GM I理论分析模型。由麦克斯韦方程和磁化运动方程推导出软磁薄膜的高频阻抗表达式，从而发现薄膜磁阻抗最终可归结为对薄膜有效磁导率的求解。本论文从电感和电阻各自贡献于阻抗的角度来计算薄膜磁阻抗，并把磁互感效应引进GM I模型，理论计算结果与实验测量结果的一致性验证了此模型的准确性，此数学模型可为设计高性能的GM I传感器提供理论指导。
　　3.基于GM I传感器的分离式检测方法和原位检测方法都实现了定量和超灵敏检测 Dynabeads磁珠（蛋白 A磁珠和亲和素磁珠）。分离式检测方法可定量检测浓度为0.1μg/mL-5μg/mL的蛋白A磁珠和浓度为0.02μg/mL-5μg/mL的亲和素磁珠。分离式检测方法的检测下限可低至90个蛋白A磁珠和200个亲和素磁珠。原位检测方法可定量检测浓度为0.1μg/mL-10μg/mL的蛋白A磁珠和浓度为0.01μg/mL-2.5μg/mL的亲和素磁珠。原位检测方法的检测下限可低至90个蛋白A磁珠和100个亲和素磁珠。实验结果表明基于夹心结构薄膜的GM I传感器能够定量检测低浓度磁珠，为磁标记的生物分子检测奠定了基础。
　　4.采用GM I传感器实现了超灵敏检测生物标志物。本文深入研究了 GMI传感器结合磁标记的双抗夹心免疫检测 AFP抗原和CEA抗原，其中包括研究生物标志物检测的灵敏性、特异性、重复性和线性范围。采用原位检测方法实现了定性检测AFP抗原（1 ng/mL，3 ng/mL和10 ng/mL）。采用分离式检测方法实现了对AFP抗原和CEA抗原的定量检测，定量检测AFP抗原的线性范围为1 pg/mL-1 ng/mL，定量检测CEA抗原的线性范围为1 pg/mL-10 ng/mL，两者的检测下限都可达1 pg/mL。此外，牛血清白蛋白（Bovine serum albumin，BSA）、AFP抗原和CEA抗原分别作为非特异性目标分子参与免疫实验，结果并没有观测到明显的阳性信号。因此，基于GM I效应的磁免疫分析具有较高的灵敏度、线性度和特异性。
　　5.在磁珠和生物标志物检测中发现一个有趣的物理现象：当GM I传感器检测高浓度磁珠或抗原时，目标信号反而呈减弱趋势。研究发现高浓度磁珠或抗原会引起磁珠密集或团聚，因而导致相邻磁珠的磁偶极子场互相抵消，从而降低整个杂散磁场强度，进而减弱目标信号。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 研究背景

1.3 GMI效应的应用研究

1.4 本论文的研究动机、目的和意义

1.5 本论文的创新点

1.6 论文架构

参考文献

第二章 软磁薄膜GMI效应及其理论模型

2.1 GMI效应的概念与基本原理

2.2 软磁薄膜GMI效应

2.3 GMI效应的经典理论模型

2.4 软磁薄膜的GMI理论模型

2.5 本章小节

参考文献

第三章 微型GMI传感器的制备工艺与薄膜GMI效应研究

3.1 MEMS工艺简介

3.2 微型GMI传感器等微器件的制备工艺

3.3外加磁场、交流电流与薄膜GMI效应

3.4 薄膜厚度对GMI效应的影响

3.5 曲折型NiFe/Cu/NiFe薄膜的GMI效应

3.6 夹心结构NiFe/Cu/NiFe薄膜与单层结构NiFe薄膜的GMI效应

3.7 薄膜导电层线宽对GMI效应的影响

3.8 本章小结

参考文献

第四章 磁珠检测

4.1 蛋白A磁珠检测

4.2 链霉亲和素磁珠检测

4.3 磁珠密集和团聚现象

4.4本章小结

参考文献

第五章 GMI生物传感器检测生物标志物研究

5.1 磁标记的免疫分析

5.2 GMI生物传感器结合双抗夹心免疫原位检测AFP抗原

5.3分离式方法定量检测AFP抗原

5.4分离式方法定量检测CEA抗原

5.5 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

6.1 主要结论

6.2 工作展望

致谢

攻读博士学位期间的科研成果

声明

答辩决议书