专利名称：多样品磁敏传感器阵列生物芯片测试仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及生物技术领域中的磁敏生物芯片测试仪，特别是霍尔器件、 巨磁阻和磁隧道阵列生物芯片读出(测试)仪。应用于化学、生物靶标分子、 细胞、微生物等的测试。
背景技术：
磁敏传感器是传感器产品的一个重要组成部分，磁敏传感器已经得到广
泛的应用，如电脑硬盘中的磁存储器、汽车中的角度传感器等。直到1998 年baselt等人首次报道了利用标记生物分子的磁颗粒和巨磁阻(GMR)传感器 探测生物靶标分子的研究并公开了专利(US 5981297)，由此开创了磁敏传 感器在生物技术领域应用研究的先例。磁敏生物传感器测试生物分子的原理 是检测生物功能化的微米或纳米尺度磁颗粒。即在传感器表面修饰上能够识 别靶标分子的抗体或抗原，样品中的靶标分子与之特异性结合，然后标记有 抗体或抗原的顺磁颗粒识别靶标分子形成夹心结构的复合物，被固定在传感 器表面，没有被捕捉住的磁颗粒被移走，施加电磁场，通过对顺磁颗粒数量 的检测确定靶标分子的含量。
在过去的10年里的研究显示，磁敏生物传感器具有低成本、快速、高灵 敏度、高通量检测的特点，目前磁电子学已经显现出作为开发生物传感器芯 片的新平台技术的优势。在2006年5月生物芯片多伦多国际会议上，荷兰 Philips公司的研究人员报道，世界上已经有30多个研究组从事磁敏生物传感 器研究开发。
在国内也有三篇专利与磁敏传感器有关，韩国姜熙福等人"生物传感器 及传感单元阵列"(申请号200310113330)中提出了采用磁性隧道结 (magnetic Tunnel Junction, MTJ)或巨磁阻(Giant Magnetoresistance,简 称GMR)器件作为生物传感器单元的想法，陈超等人在专利"磁隧道结生物芯 片载体和采用该载体的芯片及制作方法和对生物分子进行检测的方法"(申请
号02139363)中提出了磁性隧道结作为生物芯片载体的想法，王磊等人在专 利"高灵敏度巨磁电阻和隧穿磁电阻(Tunneling magnetoresistance, TMR) 生物传感器"(申请号200510005035.5)中提出利用塑料保护层代替氮化硅 保护层的想法。
虽然己经有文献报道磁敏传感器生物芯片，但是很少有文献报道磁敏生 物传感器生物芯片所使用的测试装置，特别是适合于多样品测试的全自动测 试仪器的相关报道。
发明内容
为了使磁敏生物传感器生物芯片使用更方便，实现多样品快速准确的测 试，非常有必要开发一套相应的全自动测试仪器。本发明的目的是揭示磁敏 传感器生物芯片多样品检测系统，提供一种检测灵敏度高、检测设备简单、 对磁敏传感生物芯片进行测量的多样品磁敏传感器阵列生物芯片全自动化测 试仪。
本发明的多样品磁敏传感器阵列生物芯片测试仪，如图1所示，包括 多样品生物芯片样品舟，芯片操纵及信息选取电子装置，芯片寻址器，磁场 产生与控制装置，微处理器或微型电子计算机。
一多样品生物芯片样品舟上的信号输入口通过电导线与芯片操纵及信息 选取电子装置的一信号输出口连接，多样品生物芯片样品舟上的信号输出口 通过电导线与芯片操纵及信息选取电子装置的一信号输入口连接；
芯片操纵及信息选取电子装置上的另两个信号输入口分别通过电导线与 芯片寻址器及微处理器或微型电子计算机的信号输出口连接，芯片操纵及信 息选取电子装置上的另一信号输出口通过电导线与微处理器或微型电子计算
机的一信号输入口连接；
微处理器或微型电子计算机上还带有的信号输出口分别通过电导线与芯 片寻址器及磁场产生与控制装置连接。
本发明中所涉及的各种装置及器件均为商品化产品或是现有技术产品， 所述的电导线是多导线。
本发明中涉及的多样品生物芯片样品舟是用于生化或化学物质、细胞、微生物等的反应检测区。多样品生物芯片样品舟中装载有磁敏传感生物芯片， 磁敏传感生物芯片能够方便地与本发明中的芯片操纵及信息选取电子装置连 接，而且多样品生物芯片样品舟中有溶液微通道，能够使多样品生物芯片样 品舟上的生化反应更容易进行，提高反应灵敏度。多样品生物芯片样品舟的具体结构与功能参见专利申请号200710178391.6 。
所述的芯片操纵及信息选取电子装置通过电导线与多样品生物芯片样品 舟的连接，是通过电导线与多样品生物芯片样品舟衬底的侧面的电接触点与 多样品生物芯片样品舟中装载的磁敏传感器生物芯片连接。
本发明的多样品磁敏传感器阵列生物芯片测试仪，其所述的电导线与多 样品生物芯片样品舟中装载的磁敏传感器生物芯片连接，使芯片操纵及信息 选取电子装置在微处理器或微型电子计算机的控制下，芯片操纵及信息选取 电子装置给磁敏传感器生物芯片电路提供电源和时钟信号，测试多样品生物 芯片样品舟中装载的磁敏传感器生物芯片中所存储的信息(感应到的信息)， 对所测得的信息进行模拟数码转换。
由于多样品生物芯片样品舟上有多个磁敏传感器生物芯片。所述的测试 多样品生物芯片样品舟中装载的磁敏传感器生物芯片中所存储的信息，是使 芯片寻址器根据微处理器或微型电子计算机的指令查找并定位多样品生物芯 片样品舟中磁敏传感器生物芯片；微处理器或微型电子计算机将磁敏传感器 生物芯片的地址信息，经微处理器或微型电子计算机上的信号输出口，通过 电导线输送给磁场产生与控制装置。
磁场产生与控制装置由电磁铁电源、电磁铁位置调整电子机械装置和电 磁铁组成。所述的微处理器或微型电子计算机上的信号输出口通过电导线与 磁场产生与控制装置连接，是与组成磁场产生与控制装置中的电磁铁电源、 电磁铁位置调整电子机械装置的信号输入口连接；电磁铁电源通过电导线与 组成磁场产生与控制装置中的电磁铁连接；电磁铁位置调整电子机械装置与 电磁铁机械连接，以调整电磁铁平行移动，使电磁铁根据指令移动到被测量 磁敏传感器生物芯片位置；所述的电磁铁电源与微处理器或微型电子计算机 及电磁铁连接，使电磁铁电源根据要求提供给电磁铁一定强度的正电流或负 电流，使电磁铁在多样品生物芯片样品舟中的任意区域产生正磁场或负磁场。 在本发明中，电磁铁由电磁体器件构成。
本发明的测试仪中有方向调整电子机械装置，方向调整电子机械装置的信号输入口通过电导线与微处理器或微型电子计算机上的信号输出口连接， 并且方向调整电子机械装置与多样品生物芯片样品舟机械连接，以调整多样 品生物芯片样品舟的倾斜角度；方向调整电子机械装置与组成磁场产生与控 制装置中的电磁铁机械连接，以调整电磁铁角度；同时组成磁场产生与控制 装置中的电磁铁电源与微处理器或微型电子计算机及电磁铁连接，使电磁铁 电源根据要求提供给电磁铁正电流或负电流，使电磁铁在多样品生物芯片样 品舟中的任意区域产生正磁场或负磁场。方向调整电子机械装置不同时调整 电磁铁和多样品生物芯片样品舟。
所述的电磁铁方向调整电子机械装置的信号输入口通过电导线与微处理 器或微型电子计算机上的信号输出口连接，电磁铁方向调整电子机械装置与 电磁铁连接，用于根据微处理器或微型电子计算机的指令调节电磁铁的方向 以使磁场与多样品生物芯片样品舟中所述的磁敏传感器生物芯片垂直。当外 加磁场和磁敏传感器生物芯片垂直时，该外加磁场对某些磁敏传感器生物芯 片(如巨磁阻器件或磁隧道效应MTJ器件)不产生任何影响，但却能磁化磁 颗粒。被磁化的磁颗粒产生的磁场对所述的磁敏传感器生物芯片产生影响， 使磁敏传感器生物芯片产生信号，显示磁颗粒的存在。如果外加磁场与磁敏 传感器生物芯片表面不垂直，该磁场会使所述的磁敏传感器生物芯片产生背 景信号，干扰磁颗粒产生的信号。
本发明中的磁铁位置调整电子机械装置的信号输入口通过电导线与微处 理器或微型电子计算机上的信号输出口连接，磁铁位置调整电子机械装置与 电磁铁机械连接，用于根据微处理器或微型电子计算机发出的指令调整多样 品生物芯片样品舟的倾斜角度，以使磁场与所述的磁敏传感器生物芯片垂直、 平行或转一定的角度。
微处理器或微型电子计算机带有输入(输入样品信息、测试顺序、测试 条件、数据报告模式等)，及输出(报告测试结果)的用户界面，用于接收用 户指令，控制协调各功能块的运转，对所测得的数据进行处理(如平均，过 滤，去噪音，去背景噪音，提取用户可应用之最后信息)。
上述多样品生物芯片样品舟上可以同时检测2个或2个以上的样品。在 多样品生物芯片样品舟上可以有一个或数个参照磁敏传感器生物芯片做为参 照芯片。所述的参照磁敏传感器生物芯片上不杂交磁颗粒，参照磁敏传感器 生物芯片可以提供磁场方向信息和提供背景信息，所产生的信号仅被用作参 考。举例来说，有外加磁场时，如参照磁敏传感器生物芯片产生信号，那就表示磁场与磁敏传感器生物芯片不垂直，需要调整。该磁敏传感器生物芯片 最好位于多样品生物芯片样品舟的中心和四个角，也可以位于多样品生物芯 片样品舟上任意位置。
所述的被测量磁敏传感器生物芯片表面修饰有功能性官能团，用于检测 样品中的耙标分子、细胞、微生物等化学或生物科学领域的特定成分。
所述的参照磁敏传感器生物芯片或磁敏传感器生物芯片包括CMOS电路和 磁隧道效应器件集成芯片(Magnetic Tunneling Junction Device), CMOS电 路和巨磁阻器件集成芯片，CMOS电路和霍尔(Hall Effect)器件集成芯片。
本发明的优点或积极效果本发明提供了一个测试磁敏传感器生物芯片 的全自动测试仪。此测试仪采用的多样品生物芯片样品舟内能同时布置多个 磁敏传感器生物芯片，形成阵列磁敏传感器生物芯片检测多样品生物芯片样 品舟，以此来降低操作复杂程度，提高检测速度，改进重复性，提高检测通 量。高灵敏度磁敏传感器生物芯片和微流体系统的结合可以很大程度地提高 检测灵敏度。本发明的合理结构，使本发明的测试仪实现了自动化操作，使 用方便，有效地提高了测试仪器的性能。
图1.本发明实施例1、 2和3的多样品磁敏传感器阵列生物芯片测试仪构 造示意图。
图2.本发明实施例1的多样品磁敏传感器阵列生物芯片测试仪中的生物 芯片样品舟结构正视示意图。
图3.本发明实施例1的多样品磁敏传感器阵列生物芯片测试仪中的生物 芯片样品舟结构的立体分解图。
图4.本发明实施例1的多样品磁敏传感器阵列生物芯片测试仪中的生物 芯片样品舟结构背面接线图。
图5.本发明实施例1的多样品磁敏传感器阵列生物芯片测试仪运转程序图。
图6.本发明实施例2的多样品磁敏传感器阵列生物芯片测试仪运转程序图。
附图标记
01.生物芯片样品舟 02.溶液储池层200710178943.3
03.衬底 04.衬底正面
05. 衬底背面 2.芯片操纵及信息选取电子装置
3.芯片寻址器 4.磁场产生与控制装置
41.电磁铁电源 42.电磁铁位置调整电子机械装置
43.电磁铁5.方向调整电子机械装置
6. 微处理器或微型电子计算机7.用户界面
ll.溶液储池 12.溶液通道的开口
13.溶液微通道 14.废弃溶液流出口
15.磁敏传感器生物芯片 16.电导线
17.电接触点
具体实施方式
实施例1.
请参见图1 4，可以同时测试24种样品的生物芯片样品舟基本结构如 图2 4所示。生物芯片样品舟01用于生化或化学物质、细胞、微生物等的 反应检测区。所述的生物芯片样品舟Ol由带有溶液储池11和溶液微通道13
(坐落在溶液储池下面)的溶液储池层02和衬底03组成；其是在衬底03 上封装着一层作为溶液储池层02的材料，以形成带有溶液储池11和溶液微 通道13的溶液储池层。溶液储池层02的一面构造有溶液储池11阵列，另一 面构造有溶液微通道13阵列，且每一个溶液储池11和一个对应的溶液微通 道13相连通；溶液储池11和在衬底03上的废弃溶液流出口 14通过上述溶 液微通道13相连通。衬底03和溶液储池层02对准密封后，每一个溶液微通 道13的一端和一个对应的溶液储池11相连，另一端和一个对应的构造在前 述衬底03上的废弃溶液流出口 14连接；每一个被焊接在衬底03上的磁敏传 感器生物芯片15被密封在溶液微通道13内。被注入到溶液储池11中的溶液 通过溶液储池11的溶液通道的开口 12进入前述溶液微通道13中，流过磁敏 传感器生物芯片15并从废弃溶液流出口 14流出；从废弃溶液流出口 14流出 的溶液是废液，可以用任何容器接收。溶液流经磁敏传感器生物芯片表面时， 和磁敏传感器生物芯片表面的生物或化学成分发生反应、接受检测。在衬底 正面04固定有磁敏传感器生物芯片15 (坐落在溶液储池层02中的微通道 内)，衬底的背面05焊接有连接电导线16，电导线16分别与磁敏传感器生物芯片15和在衬底的一边或几个边上焊有的电接触点17连接，电接触点17 通过连接电导线与芯片操纵及信息选取电子装置2连接。
衬底03为有一定硬度的材料，如有机玻璃，聚碳酸酯，聚丙烯，尼龙， 聚四氟乙烯，聚醚醚酮或硅橡胶等。在衬底之上封装的溶液储室层材料与衬 底材料可以相同也可以不同。
多样品生物芯片样品舟Ol中的磁敏传感器生物芯片15的信号输入口通 过衬底侧面的电接触点17和电导线与芯片操纵及信息选取电子装置2的一信 号输出口连接，多样品生物芯片样品舟中的磁敏传感器生物芯片15的信号输 出口通过衬底侧面的另一电接触点17和电导线与芯片操纵及信息选取电子 装置2的一信号输入口连接；芯片操纵及信息选取电子装置2上的另两个信 号输入口分别通过电导线与芯片寻址器3及微处理器或微型电子计算机6的 信号输出口连接，芯片操纵及信息选取电子装置2上的另一信号输出口通过 电导线与微处理器或微型电子计算机6的一信号输入口连接；芯片操纵及信 息选取电子装置2用于多样品生物芯片样品舟上的多个被测量磁敏传感器生 物芯片15电路提供电源和操控信号，测量多个被测量磁敏传感器生物芯片中 所存储的信息，对所测得的信息进行模拟数码转换。
微处理器或微型电子计算机上还带有的信号输出口分别通过电导线与芯 片寻址器及磁场产生与控制装置连接，所述的磁场产生与控制装置由电磁铁 电源41、电磁铁位置调整电子机械装置42和电磁铁43组成。
由于多样品生物芯片样品舟Ol上有多个磁敏传感器生物芯片15，所述的 芯片寻址器3与微处理器或微型电子计算机6连接，使芯片寻址器根据微处 理器或微型电子计算机的指令査找并定位多样品生物芯片样品舟中多个被测 量磁敏传感器生物芯片；微处理器或微型电子计算机将多个被测量磁敏传感 器生物芯片的地址信息，经微处理器或微型电子计算机上的信号输出口，通 过电导线输送给组成磁场产生与控制装置4中的电磁铁位置调整电子机械装 置42，电磁铁位置调整电子机械装置42与电磁铁机械连接接触，电磁铁位置 调整电子机械装置42将电磁铁43平行移动到待测磁敏传感器生物芯片位置。
所述的电磁铁电源41的信号输入口通过电导线与微处理器或微型电子计 算机6的信号输出口连接，通过电导线与电磁铁43连接，并使电磁铁电源根 据要求提供给电磁铁一定强度的正电流或负电流，使电磁铁在多样品生物芯 片样品舟中的任意区域产生正磁场或负磁场。
在多样品生物芯片样品舟上可以有一个或数个参照磁敏传感器生物芯片做为参照芯片。所述的参照磁敏传感器生物芯片上不杂交磁颗粒，参照磁敏 传感器生物芯片可以提供磁场方向信息和提供背景信息，所产生的信号仅被 用作参考。
所述的参照磁敏传感器生物芯片或磁敏传感器生物芯片是CMOS电路和磁 隧道效应器件集成芯片，并在CM0S电路和磁隧道效应器件集成芯片表面修饰 有功能性官能团，用于检测样品中的靶标分子、细胞、微生物等化学或生物 科学领域的特定成分。
微处理器或微型电子计算机带有输入及输出的用户界面7，用于接收用户 指令，控制协调各功能块的运转，对所测得的数据进行处理，多样品磁敏传 感器阵列生物芯片测试仪运转程序如图5所示。
实施例2.
结构基本同实施例l，只是在测试仪中有方向调整电子机械装置5，方向 调整电子机械装置5的信号输入口通过电导线与微处理器或微型电子计算机6 上的信号输出口连接，并且方向调整电子机械装置与多样品生物芯片样品舟 Ol机械连接，以调整多样品生物芯片样品舟的倾斜角度；方向调整电子机械 装置与组成磁场产生与控制装置中的电磁铁43机械连接，以调整电磁铁角度； 同时组成磁场产生与控制装置4中的电磁铁电源41与微处理器或微型电子计 算机及电磁铁连接，使电磁铁电源根据要求提供给电磁铁正电流或负电流， 使电磁铁在多样品生物芯片样品舟中的任意区域产生正磁场或负磁场。方向 调整电子机械装置不同时调整电磁铁和多样品生物芯片样品舟。
磁敏传感器生物芯片为CMOS电路和巨磁阻器件集成芯片，并在CMOS电 路和巨磁阻器件集成芯片表面修饰有功能性官能团，用于检测样品中的靶标 分子、细胞、微生物等化学或生物科学领域的特定成分。
多样品磁敏传感器阵列生物芯片测试仪运转程序如图6所示。
权利要求
1.一种多样品磁敏传感器阵列生物芯片测试仪，包括多样品生物芯片样品舟，芯片操纵及信息选取电子装置，芯片寻址器，磁场产生与控制装置，微处理器或微型电子计算机；其特征是一多样品生物芯片样品舟上的信号输入口通过电导线与芯片操纵及信息选取电子装置的一信号输出口连接，多样品生物芯片样品舟上的信号输出口通过电导线与芯片操纵及信息选取电子装置的一信号输入口连接；芯片操纵及信息选取电子装置上的另两个信号输入口分别通过电导线与芯片寻址器及微处理器或微型电子计算机的信号输出口连接，芯片操纵及信息选取电子装置上的另一信号输出口通过电导线与微处理器或微型电子计算机的一信号输入口连接；微处理器或微型电子计算机上还带有的信号输出口分别通过电导线与芯片寻址器及磁场产生与控制装置连接。
2. 根据权利要求1所述的测试仪，其特征是所述的芯片操纵及信息选 取电子装置通过电导线与多样品生物芯片样品舟的连接，是通过电导线与多 样品生物芯片样品舟中装载的磁敏传感器生物芯片连接。
3. 根据权利要求2所述的测试仪，其特征是所述的电导线与多样品生 物芯片样品舟中装载的磁敏传感器生物芯片连接，使芯片操纵及信息选取电 子装置在微处理器或微型电子计算机的控制下给磁敏传感器生物芯片电路提 供电源和时钟信号，测试多样品生物芯片样品舟中装载的磁敏传感器生物芯 片中所存储的信息，对所测得的信息进行模拟数码转换。
4. 根据权利要求3所述的测试仪，其特征是所述的测试多样品生物芯 片样品舟中装载的磁敏传感器生物芯片中所存储的信息，是使芯片寻址器根 据微处理器或微型电子计算机的指令査找并定位多样品生物芯片样品舟中磁 敏传感器生物芯片;微处理器或微型电子计算机将磁敏传感器生物芯片的地 址信息，经微处理器或微型电子计算机上的信号输出口，通过电导线输送给 磁场产生与控制装置。
5. 根据权利要求1或4所述的测试仪，其特征是所述的微处理器或微 型电子计算机上的信号输出口通过电导线与磁场产生与控制装置连接，是与 组成磁场产生与控制装置中的电磁铁电源、电磁铁位置调整电子机械装置的信号输入口连接；电磁铁电源通过电导线与组成磁场产生与控制装置中的电 磁铁连接；电磁铁位置调整电子机械装置与电磁铁机械连接，以调整电磁铁 平行移动，使电磁铁根据指令移动到被测量磁敏传感器生物芯片位置。
6. 根据权利要求5所述的测试仪，其特征是所述的电磁铁电源与微处 理器或微型电子计算机及电磁铁连接，使电磁铁电源根据要求提供给电磁铁 正电流或负电流，使电磁铁在多样品生物芯片样品舟中的任意区域产生正磁 场或负磁场。
7. 根据权利要求5所述的测试仪，其特征是所述的测试仪中有方向调整电子机械装置，方向调整电子机械装置的信号输入口通过电导线与微处理器或微型电子计算机上的信号输出口连接，并且方向调整电子机械装置与多样品生物芯片样品舟机械连接，以调整多样品生物芯片样品舟的倾斜角度； 方向调整电子机械装置与组成磁场产生与控制装置中的电磁铁机械连接，以调整电磁铁角度。
8. 根据权利要求7所述的测试仪，其特征是所述的组成磁场产生与控 制装置中的电磁铁电源与微处理器或微型电子计算机及电磁铁连接，使电磁铁电源根据要求提供给电磁铁正电流或负电流，使电磁铁在多样品生物芯片 样品舟中的任意区域产生正磁场或负磁场。
9. 根据权利要求1、 2、 3、 4、 6、 7或8所述的测试仪，其特征是所述的多样品生物芯片样品舟上有一个或数个参照磁敏传感器生物芯片；所述的 参照磁敏传感器生物芯片上不杂交磁颗粒，所产生的信号仅被用作参考。
10. 根据权利要求9所述的测试仪，其特征是所述的参照磁敏传感器生物芯片是CMOS电路和磁隧道效应器件集成芯片、CMOS电路和f:':磁阻器件集成芯片或CMOS电路和霍尔器件集成芯片。
11. 根据权利要求2、 3或4所述的测试仪，其特征是所述的磁敏传感器生物芯片表面修饰有功能性官能团。
12. 根据权利要求5所述的测试仪，其特征是所述的磁敏传感器生物芯片表面修饰有功能性官能团。
13. 根据权利要求11所述的测试仪，其特征是所述的磁敏传感器生物芯片是CMOS电路和磁隧道效应器件集成芯片、CMOS电路和巨磁阻器件集成芯片或CMOS电路和霍尔器件集成芯片。
14. 根据权利要求12所述的测试仪，其特征是所述的磁敏传感器生物芯片是CMOS电路和磁隧道效应器件集成芯片、CMOS电路和巨磁阻器件集成 芯片或CMOS电路和霍尔器件集成芯片。
全文摘要
本发明涉及生物技术领域中的多样品磁敏传感器阵列生物芯片测试仪。一多样品生物芯片样品舟上的信号输入口分别通过电导线与芯片操纵及信息选取电子装置的一信号输出口连接，信号输出口通过电导线与芯片操纵及信息选取电子装置的一信号输入口连接；芯片操纵及信息选取电子装置上的另两个信号输入口分别通过电导线与芯片寻址器及微处理器或微型电子计算机的信号输出口连接，另一信号输出口通过电导线与微处理器或微型电子计算机的一信号输入口连接；微处理器或微型电子计算机上还带有的信号输出口分别通过电导线与芯片寻址器及磁场产生与控制装置连接。本发明的测试仪应用于化学、生物靶标分子、细胞、微生物等的测试。
文档编号G01N33/48GK101206217SQ20071017894
公开日2008年6月25日 申请日期2007年12月7日 优先权日2007年12月7日
发明者高云华 申请人:中国科学院理化技术研究所