高集成磁生物分子传感器的研究

生物分子识别在DNA、新的药物发现等方面有着广泛的应用。巨磁隧穿效应传感器(TMR)由于它的超高灵敏度、价廉及与集成电路制造的可兼容性等特色，已成为可用于生物分子探测最有前途的传感器。本项目提出利用隧穿磁效应(TMR)传感器和测量发自磁性标记粒子的边缘场实现DNA、抗原-抗体的识别。本项目将发展用于生物分子识别的巨磁阻集成传感器系统。将系统研究器件及磁粒子的物理尺寸效应、分子识别的理论模式，有效地观测自旋翻转的长度与声子对电子的散射关联和高质量单势垒和双势垒隧道结的隧穿磁电阻等非常重要的基本科学问题。 本项目同样进行自旋电子学异质结构层状功能材料的人工设计。

本项目针对项目任务书的研究内容（1）高灵敏的巨磁阻生物传感器阵列的研究，（2）集成生物分子识别传感器系统，（3）发展实用化的磁生物分子传感器系统，提出利用隧穿磁效应(TMR)传感器和测量发自磁性标记粒子的边缘场实现DNA、抗原-抗体的识别的基本设想。发展了用于生物分子识别的巨磁阻集成传感器系统。研究了器件及磁粒子的物理尺寸效应、分子识别的理论模式，有效地观测自旋翻转的长度与声子对电子的散射关联和高质量单势垒和双势垒隧道结的隧穿磁电阻等非常重要的基本科学问题。 在高灵敏的巨磁阻生物传感器阵列的研究方面， 本项目发展新的插入纳米氧化层的巨磁阻传感器， 实现了高达16%的磁阻效应。 这是在磁生物传感器中灵敏度最大的巨磁阻磁性传感器。本项目同样研究了高质量单势垒和双势垒隧道结的MgO隧穿磁传感器， 在100 Oe的磁场下，获得了高达120%的磁阻效应；在集成生物分子识别传感器系统研究方面， 本项目设计和实现了磁传感器， 磁性粒子，磁场发生器和后继续电路的集成；在发展实用化的磁生物分子传感器系统的研究方面， 本项目发展了传感器和磁性粒子的表面化学和生物功能化的方法， 成功实现抗体-抗原-抗体-磁性粒子的偶联。 本项目最后针对乳腺肿瘤的生物标志物分子CEA进行了检测。 结果表明， 我们的传感器能有效探测CEA分子低达 femtomole（10-15）水平， 比目前流行的 ELISA的精度高1000倍。我们发展的磁生物分子传感系统能满足应用于肿瘤早期诊断的生物分子识别和食品安全中生物分子检测和监测的需要。..基于我们的研究， 我们提交二篇杂志文章和6个会议论文。 我们在包括斯坦福研究中心 ， Screpes 研究中心， 欧洲材料会议和世界纳米科学会议上做了二个邀请报告和3个一般报告。 根据本项目的研究成果， 我们在申请一个中国专利，培养了二位硕士研究生。