Отчет по учебной практике
Магнитные датчики для средств получения биопроб
жүктеу/скачать 0,59 Mb.
|
Бельчевичена 2215 Гальваноупругий магнитный эффект(магнитосопротивлении) (1)
| 2.4Магнитные датчики для средств получения биопроб
Развитие технологии спинтроники позволило усовершенствовать средства получения биопроб. Уже в начале 2005 года на рынке медицинского оборудования появились малогабаритные магнитные датчики, объединенные с микросхемами и способные работать при комнатной температуре (в отличие от современных устройств на основе сверхпроводящих квантовых интерференционных датчиков). Одно из самых перспективных направлений развития таких элементов – создание спинтронных биодатчиков типа лаборатории на кристалле для систем биомедицинского анализа. В основе метода биоанализа с помощью магнитных датчиков лежит возможность присоединения магнитных меток к определенному исследуемому веществу с помощью специфического биохимического соединения. Вещество с присоединенными метками захватывается GMR-датчиком, который затем подсчитывает число меток. Пример такой системы – разработанная учеными Университета штата Айова совместно со специалистами компании NVE микроструйная система с интегрированным GMR-датчиком, регистрирующим скорость потока и размеры капель ферромагнитной жидкости объемом в несколько пиколитров (10-12 л), а также частоту их образования . Интегрированная платформа на базе кремниевой микросхемы включала три набора датчиков, каждый из которых представляет собой мост Уитстона с SV-датчиками размером 20×4 мкм. Спиновой вентиль имел структуру Ta/NiFeCo/Ta/NiFeCo/CoFe/Cu(25Å)/CoFe/CrPtMn. Считывающие резисторы моста располагались непосредственно под каналом шириной 13 мкм и глубиной 18 мкм. Через канал пропускалась струя (длиной 5 мкм) микропробы, содержащей ~5•108 магнитных наночастиц размером 10 нм. Опорные GMR-датчики моста были защищены слоем диэлектрического полимера марки Cyclotene компании Dow Chemical. Основание микроструйного канала отделялось от GMR датчика слоем нитрида кремния толщиной 300 нм. В полимерной крышке системы микрообработкой формировался канал шириной 30 мкм и глубиной 25 мкм, располагаемый перпендикулярно микроструйному каналу. В результате в области пересечения двух каналов возможен переход струи из одного канала в другой. Готовая система лаборатории на кристалле монтировалась на печатную плату, и к ее входным отверстиям подсоединялись впрыскивающие микрокапилляры. В области перекрытия двух каналов возникал чередующийся поток несмешивающихся жидкостей с различными наночастицами. Система помещалась между полюсами миниатюрного электромагнита, поле которого параллельно "чувствительной" оси GMR-элемента (ось, перпендикулярная продольной оси GM-элементов). Магниторезистивная чувствительность SV-датчиков составляла 0,077%/Э. Скорость потока определялась путем корреляции сигналов двух мостов. Ее расчетное значение было равно 19,0±0,4 мм/с, что хорошо согласуется со скоростью накачки насоса – 21±2 мм/с. Таким образом, была показана возможность применения GMR-датчиков для обнаружения и анализа различных биохимических проб. Точность биохимического анализа лаборатории на кристалле высокая. Но достигается она за счет более сложной конструкции датчика. На Международной конференции по твердотельным схемам 2007 года (International Solid-State Circuits Conference – ISSCC) представители Стэнфордского университета сообщили о разработке высокоплотной матрицы GMR-датчика, интегрированной со стандартной КМОП-микросхемой [7]. Прибор предназначен для обнаружения гибридизации ДНК и может примененяться в обычных врачебных кабинетах, а не больших централизованных лабораториях. В предлагаемом методе иммобилизованные на поверхности GMR-датчиков рецепторы отлавливают изучаемые ДНК, после чего в систему лаборатории на кристалле вводятся магнитные наночастицы со специальным покрытием, используемым для выявления ДНК при нерадиоактивной гибридизации in-situ (на месте). Эти частицы захватываются гибридизованными ДНК, и GMR-элементы фиксируют вызванное наночастицами изменение магнитного поля. БиКМОП-микросхема с интегрированным GMR-датчиком на основе SV-резисторов изготовлена по 0,25-мкм технологии с шестислойной металлизацией. Помимо 1008 сенсорных элементов, занимающих площадь 1 мм2, микросхема содержит высокоскоростные каналы считывания данных, полученных при детектировании ДНК. Для повышения чувствительности детектора к образцам с низкой концентрацией биологического вещества каждую точку исследуемого вещества регистрируют до 64 минимальных элементов датчика, благодаря чему время обнаружения молекулы ДНК составляет всего 5 мин. GMR-биодатчики разделены на 16 подмассивов размером 120×120 мкм каждый, что сопоставимо с размерами современных систем анализа ДНК. Для сокращения времени считывания каждого элемента датчика в микросхеме использована мультиплексная передача с частотным и временным уплотнением каналов. Учеными Университета Каназава (Япония) и Университета Месси (Новая Зеландия) разработан игольчатый SV-GMR-датчик для определения объемной/весовой плотности магнитной жидкости, вводимой в тело пациента при гипертермическом лечении раковых заболеваний. Размер чувствительной области датчика составляет 75×40 мкм. Плотность магнитной жидкости определяется путем сравнения значений напряженности внешнего магнитного поля и измеренного поля магнитной жидкости тела. При токе SV GMR-датчика 0,5 мА чувствительность датчика составляет ~10 мкВ/мкТ. Для получения однородного внешнего магнитного потока использована система Гельмгольца с тремя парами спиралей. Разработанная биомикросхема путем изменения структуры поверхности может использоваться и для выявления других биореакций, например при анализеа протеина. жүктеу/скачать 0,59 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|