[发明专利]用于高吞吐量生物分子测试的磁性生物医学传感器和感测系统

说明书

技术领域

本公开涉及用于磁性生物分子感测的系统和技术。

背景技术

检测和量化超低浓度的生物分子的生物测定在很多领域中是非常需要的，包括基础医学、疾病控制和诊断、药物发现和环境监控。生物测定可以被用于基于寡核苷酸之间的特定相互作用的疾病或病原检测，诸如DNA-DNA或RNA-RNA相互作用；小分子-生物分子相互作用；适体-生物分子相互作用；蛋白质相互作用等等。

磁性生物感测技术利用磁场来检测和量化生物分子。在一些实现方式中，诸如磁性纳米粒子(MNP)或磁性微珠之类的磁性标签可以被附着于试剂中的化验物上。未被附着磁性标签的相同化验物可能存在于血清样品中。试剂和血清样品可以被引入包括磁性传感器和多个捕获分子的传感器中，所述多个捕获分子被配置为例如利用共价或离子键合来捕获化验物。磁性传感器可以包括磁矩沿特定方向被固定的磁性层(固定层)和磁矩在外部磁场的影响下自由旋转的磁性层(自由层)。当外部施加的场被施加于传感器(例如使用电磁铁或永磁铁)时，自由层的磁矩旋转到由被施加于该层的有效磁场决定的方向，所述有效磁场可以包括来自外部施加的场的分量、来自任何磁性物体(例如传感器表面上的磁性粒子)的磁场、由在读取过程中流经磁性传感器的电流所产生的磁场以及由磁性传感器的其它磁性层(例如固定层)所产生的磁场。然后，血清样品中的化验物的浓度可以利用磁性生物传感器而被确定，因为当被键合到磁性标记上的化验物被捕获分子捕获时，自由层的磁矩的方向将在磁性标记的影响下旋转。磁性生物传感器和相关技术的更多细节在通过引用被合并于此的美国临时申请No.61/534,636中被描述。

在一些磁性生物传感器中，平面内外部磁场配置被使用(即，外部磁场沿与自由层和固定层的主平面平行的方向被施加于传感器)。针对该配置的仪器设备和工作原理在图1中被示意性地示出。在该配置中，包括一个或多个样品10的样品盘18被置于在两个相对的磁铁12和14之间的一个或多个磁性传感器(未被示出)上，所述磁铁产生由箭头16表示的平面内磁场(即，在相对于自由磁性层的主平面的平面内)。这种平面内配置可以被用于有限尺寸的测试盘(例如长度为2-5厘米(cm))，但是不能与大样品盘(例如长度为50cm)一起使用，除非大磁铁12和14被使用，这与台式系统不兼容。因为需要均匀、相对较大的(例如大约20奥斯特(Oe)到大约100Oe)平面内磁场以准确检测被测试样品中的生物分子，所以需要大磁铁。这种利用大电磁铁的配置不仅不适合于台式操作，而且需要大量功率来操作大电磁铁。

发明内容

本公开描述了一种磁性生物感测系统，其中与自由层和固定层的主平面垂直的外部磁场(垂直磁场)被施加于磁性传感器。这样的系统可以方便同时测试大量样品，因为足够大的更均匀的磁场可以同时被施加于更多的传感器。在一些示例中，利用新的磁性生物感测系统，台式生物医疗检测系统可以同时并且在相对较短的时间内(例如5分钟内)测试超过数千个样品。此外，这里所描述的磁性生物感测系统可以允许例如通过被编程的机器人来自动处理样品和测试。现有技术的传感方案和仪器设备不能同时测试这么大量的样品。

在一些实现方式中，磁性生物感测系统利用多个磁性传感器，其中(针对每个磁性传感器)自由层或固定层中的至少一个具有平面外磁性各向异性(即该层的易磁化轴定向在该层的主平面以外)。此外，外部磁场沿与自由层和固定层的主平面垂直的方向被施加于磁性传感器。当样品保持盘的方向使得其主平面总体与多个传感器的自由层和固定层的主平面平行时，与样品保持盘的主平面垂直的外部磁场也被施加。这个布置将产生外部磁场的磁铁置于传感器下面，传感器在样品盘下面。这可以允许使用更接近于磁铁的大的被自动控制的样品盘(与平面内磁场配置相比)并且导致在样品盘中的所有样品上的磁场的基本均匀性，因为每个样品与磁铁的距离基本相同。

这里所描述的磁性生物感测系统可以结合不同类型的磁性传感器被使用，例如可以具有旋转阀结构的磁性隧道结(MTJ)传感器、可以具有旋转阀结构的巨磁阻(GMR)传感器、可以具有旋转阀结构的霍尔传感器、巨磁阻抗(GMI)传感器等。磁性生物感测系统可以利用多探针台或站台，用于电子控制与磁性传感器电极的简单可靠的连接和断开连接。