血清腫瘤標誌物檢測的巨磁阻抗效應生物傳感器的製作方法

2023-10-07 19:14:04

專利名稱：血清腫瘤標誌物檢測的巨磁阻抗效應生物傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及生物傳感器，具體地，涉及一種血清腫瘤標誌物檢測的巨磁阻抗效應生物傳感器，屬於醫學檢測方法與磁性傳感技術領域。
背景技術：
惡性腫瘤是當今威脅人類健康和生命的主要疾病之一，且發病率有逐年上升的趨勢。目前臨床主要的腫瘤檢測手段包括
[I]實驗室檢查主要包括血、尿、大便的常規檢查、生化及免疫檢查、病理學檢查坐寸ο
[2]放射學檢查主要包括X光透視、X光攝片、X光造影檢查、CT掃描、核磁共振成像等。
[3]放射性核素檢查即同位素檢查，包括功能測定檢查、掃描及伽瑪照射檢查、 放射免疫分析等。
[4]超聲波檢查包括A型、B型超聲波檢查。
[5]內窺鏡檢查包括各種硬性或光學纖維鏡。
在腫瘤的研究和臨床實踐中，早期發現、早期診斷、早期治療是關鍵。目前常規的影像方法如X線、CT、核磁共振、B超等僅能發現O. 5cm以上的腫塊，這時部分腫瘤已經處於中晚期，有的腫瘤已經發生了轉移，多數病人已經喪失了最佳的治療時機。血清腫瘤標誌物在腫瘤普查、診斷、判斷預後和轉歸、評價治療療效等方面都具有較大的實用價值。血清腫瘤標誌物檢測已經成為早期發現腫瘤的方法之一，目前已經發展了多種血清腫瘤標誌物檢測技術並不斷地應用於臨床如免疫放射分析法、酶標記免疫分析技術、化學發光免疫分析法、螢光免疫分析法、液體晶片檢測技術等，這些方法各有其優點，如液體晶片一次能檢查出多種腫瘤標誌物，和多次檢測相比降低了成本。但這些方法的不足之處在於缺乏靈活性， 單項指標敏感性低、特異性較差。在檢測速度、準確率和檢測費用方面均存在缺陷，因此利用多學科交叉的優勢研製新型腫瘤標誌物檢測的生物傳感器技術顯得尤為重要。
生物傳感器是利用生物活性材料(如酶、蛋白質、DNA、抗體、抗原、生物膜等)與物理化學換能器(如電化學、光學、機械、電、磁等)有機結合構成的一種生物信息檢測分析工具。由於生物傳感器在醫療保健、疾病診斷、食品安全檢測等具有廣泛的用途，受到了世界各國科學家的深入研究和大力研發；然而仍存在一些因素限制了生物傳感器的大規模應用和推廣，如傳統生物傳感器的分析操作步驟太多、分析周期長、價格昂貴、體積大、昂貴的光學檢測設備及需要訓練有素的專業人員才能完成等。近年來，由於免疫磁珠技術的不斷進展和微傳感器技術的發展，科學家們提出了將微磁傳感器並結合磁性標籤研製用於生物學、醫學、遺傳學、毒物學等生物信息探測的新一代生物傳感器。利用微磁傳感器並結合磁性標籤用於探測生物分子的理念最早是由美國海軍實驗室的Baselt等[Baselt D. R.，Lee G. U.，Natesan M.，Metzger S. W.，Sheehan P. E.，Colton R.，A biosensor based onmagnetoresistance technology, Biosens. Bioelectr. 17 (1998) 731.]於 1998 年提出的，由此開啟了磁生物傳感器研究的熱潮。目前已報導的用於磁性納米粒子(磁珠)檢測的微磁傳感器，主要有電磁感應式傳感器、磁阻(AMR)傳感器、霍爾傳感器、巨磁電阻(GMR)傳感器和巨磁阻抗(GMI)傳感器等。巨磁阻抗(GMI)效應傳感器是一種新型的磁場傳感器， 其原理是利用交流電流通過磁性材料時其阻抗(Z)隨外磁場(H)靈敏變化的這一特徵，GMI 傳感器具有磁場靈敏度高(4 一 100% / 0e)、功耗少、響應速度快，偏置磁場小等優點，非常適合於磁性納米粒子的探測，其優勢在於1)GMI傳感器具有較高的磁場靈敏度，適合於磁性納米粒子(或磁珠)的檢測；2)傳感器的製造技術可與大規模集成電路技術相兼容，易於批量化生產，成本低、價格便宜；3)傳感器的信號測評電路可通過CMOS集成電路處理得到， 具有體積小、成本低等特點；4)GMI效應的產生不需要很大的驅動磁場。由於GMI效應是唯一的一種利用交流效應做檢測的，並與傳統的設備和檢測手段相兼容，因此在磁場檢測與生物醫學檢測方面展示出廣闊的應用前景。
經對現有技術的文獻檢索發現，Kurlyandskaya等(Kurlyandskaya G. V. , SanchezM. L. , Hernando B.)在((Appl. Phys. Lett.))(美國應用物理快報)((Vol. 82, pp. 3053,2003))首次提出使用GMI傳感器來探測磁性納米粒子，並利用CoFeMoSiB非晶帶材製備了探測裝直，成功實現了對商業Ferrofluid 液體中磁性納米粒子以及Dynabeads M-450 磁珠的探測。2007 年，Kurlyandskaya 等(A. Kumar, S. Mohapatra, V. F. Miyar, A. Cerdeira, J. A. Garcia, H. Srikanth, J. Gass and G. V. Kurlyandskaya) 在〈〈Appl. Phys. Lett.))(美國應用物理快報)((Vol. 91，pp. 143902, 2007》報導了利用GMI傳感器對吞噬 Fe304納米粒子的人體胚腎細胞(HEK293)進行檢測，證明了 GMI效應在生物醫學檢測領域的可行性，但該研究工作只是得到了 GMI傳感器對Fe304磁性納米粒子的響應，沒有實現對細胞樣品的標記和分型檢測。
隨著微機電系統(MEMS)技術的發展,利用MEMS技術製備的微流控晶片已應用於生物與醫學檢測領域，而MEMS技術同樣可用來製造小型化、集成化的GMI傳感器。將生物信息的固定與小型化GMI傳感器相結合構建新型血清腫瘤標誌物檢測系統，利用磁性納米粒子標籤對血清腫瘤標誌物進行檢測，具有重要的研究意義和臨床價值。通過文獻和專利檢索，沒有發現關於將GMI效應傳感器用於血清腫瘤標誌物檢測的相關研究成果。發明內容
針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種血清腫瘤標誌物檢測的巨磁阻抗效應生物傳感器。該生物傳感器採用MEMS加工工藝製作，能夠與配套的檢測電路製作在一起，實現整個系統的小型化、低成本，並使檢測系統具有高靈敏度和響應速度，且易於大批量生產。該生物傳感器的檢測靈敏度可以檢測血清腫瘤標誌物高達lng/ml的抗原。
為了實現上述目的，本發明所述血清腫瘤標誌物檢測的巨磁阻抗效應生物傳感器包括位於玻璃基片上的巨磁阻抗效應傳感器、位於巨磁阻抗效應傳感器上的絕緣層、位於絕緣層上的Au膜、位於Au膜上的生物敏感膜、位於生物敏感膜上的磁性標籤，以及與巨磁阻抗效應傳感器連接的信號採集系統。
優選地，上述的巨磁阻抗效應傳感器由位於玻璃基片上的NiFe/Cu/NiFe多層膜構成，傳感器外形呈曲折形結構，並採用MEMS工藝製作，NiFe薄膜厚度為2_6um，Cu膜厚度為l-6um，NiFe薄膜和Cu膜均採用電鍍工藝製作，具有批量生產的優勢。CN 102928596 A書明說3/5頁
優選地，上述的絕緣層為三氧化二鋁，其厚度為小於lum，採用濺射工藝製作的。
優選地，上述的Au膜為濺射的Cr/Au薄膜，其厚度為100_500nm，用於修飾自組裝膜。
優選地，上述的生物敏感膜為一層納米級厚度的自組裝膜，自組裝膜為11-巰基十一烷酸，然後經EDC+NHS活化形成，生物敏感膜可以連接各種單克隆抗體，單克隆抗體可以和被檢測的抗原結合。
優選地，上述的磁性標籤為鏈酶親和素修飾的磁性納米粒子或由磁性納米粒子構成的磁珠。可以和經生物素修飾的單克隆抗體或多克隆抗體相結合。生物素修飾的單克隆抗體或多克隆抗體可以和被檢測的抗原結合。
本發明提供的生物傳感器，其檢測抗原的原理是採用雙抗夾心法。採用自組裝膜技術固定單克隆抗體，單克隆抗體與抗原結合，帶有鏈酶親和素的磁性標籤與生物素化的多克隆抗體結合，由於抗原-抗體的免疫反應，磁性標籤被標記到傳感器的表面上。一旦有極微量的被檢測生物分子(抗原)存在時，在外磁場作用下，磁性標籤產生的彌散磁場將導致傳感器的磁阻抗的變化，這種變化直接轉變為電壓信號，從而實現對相 應生物分子的高靈敏度檢測。
與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果
(I)磁傳感器的製備技術可與半導體的CMOS技術兼容，從而可實現集成磁傳感器陣列，成本低、價格便宜，易於批量生產；
(2)磁阻抗變化的信號可通過集成的CMOS電路得到處理，直接將生物信息轉換為電信號，可實現即時分析，並具有很高的檢測靈敏度；
(3)生物樣品本身不帶磁性，能提供一個很低噪聲的磁測量環境，相對於突光分子、放射性同位元素、酶等標籤，磁性標籤非常穩定；
(4)在單一化驗中，陣列傳感器可實現對多目標分析物的同時檢測，具有快速、高靈敏探測的優勢。
(5)本發明中的血清腫瘤標誌物檢測系統具有檢測速度快、可重複使用、無特殊環境和存放要求、體積小、靈敏度高等優點；不需要依賴於操作人員的生物學醫學經驗以及龐雜、昂貴的螢光檢測設備，就可實現特定的生化分析或疾病診斷，這將有利於實現可攜式、 成本低廉、快速診斷的生物醫學疾病檢測系統。


通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、 目的和優點將會變得更明顯
圖I為本發明一實施例結構示意圖2為圖I所示沿AB方向的截面圖3為本發明傳感器檢測原理圖。
圖中NiFe薄膜I、玻璃基片2、Cu膜3、引腳4、巨磁阻抗效應傳感器5、絕緣層6、 Au膜7、生物敏感膜8、單克隆抗體9、抗原10、單克隆抗體或多克隆抗體11、磁珠12、生物素 13、鏈酶親和素14。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助於本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬於本發明的保護範圍。
本實施例提供一種血清腫瘤標誌物檢測的巨磁阻抗效應生物傳感器。該生物傳感器由位於玻璃基片上的巨磁阻抗效應傳感器5、絕緣層6、Au膜7、生物敏感膜8、磁性標籤及信號採集系統組成。
本實施例中，所述巨磁阻抗效應傳感器5由位於玻璃基片2上的NiFe薄膜I、Cu 膜3、NiFe薄膜I構成的多層膜及引腳4構成，其中Cu膜的寬度小於NiFe薄膜的寬度，並採用MEMS工藝製作，NiFe薄膜I厚度為2_6um，Cu膜3厚度為l-6um，NiFe薄膜和Cu膜均採用電鍍工藝製作，具有批量生產的優勢。
本實施例中，在巨磁阻抗效應傳感器上面有絕緣層6，該絕緣層6為三氧化二鋁， 其厚度為小於lum，採用濺射工藝製作的，用來保護傳感器並與Au膜7絕緣。
本實施例中，絕緣層6的上面為Au膜7，Au膜7為濺射的Cr/Au薄膜，其厚度為 100-500nm,用於修飾自組裝膜。
本實施例中，Au膜7的上面為生物敏感膜8，生物敏感膜8為一層納米級厚度的自組裝膜，自組裝膜為11-巰基十一烷酸，然後經EDC+NHS活化形成的，生物敏感膜可以連接各種單克隆抗體9，單克隆抗體可以和被檢測的抗原10結合。
本實施例中，磁性標籤為鏈酶親和素14修飾的磁性納米粒子或由磁性納米粒子構成的磁珠12，可以和經生物素13修飾的單克隆抗體或多克隆抗體11相結合，生物素修飾的單克隆抗體或多克隆抗體11可以和被檢測的抗原10結合。
本實施例上述的生物傳感器製作流程如下
(I)巨磁阻抗效應傳感器由位於玻璃基片上的NiFe/Cu/NiFe多層膜構成，製作方法採用現有技術，比如專利號為200510026607. 8中國專利中記載的方法。
(2)在GMI傳感器上面採用濺射工藝製作絕緣層三氧化二鋁。甩光刻膠、烘乾、曝光、顯影、刻蝕三氧化二鋁、去膠，使傳感器引腳暴露在外面。
(3 )濺射Cr/Au薄膜，甩光刻膠、烘乾、曝光、顯影、刻蝕Cr/Au膜、去膠，使傳感器的引腳和傳感器敏感部分帶有Au膜，並暴露在外面。
(4) Au膜上生物敏感膜的製備。生物敏感膜為一層納米級厚度的自組裝膜，自組裝膜為11巰基i^一烷酸，然後經EDC+NHS活化形成的。
(5)腫瘤標誌物單克隆抗體的固定。將適當濃度的腫瘤標誌物單克隆抗體溶液滴入傳感器Au膜上面，放入冰箱4°C過夜；然後用PBS溶液清洗、BSA溶液封閉，最後用PBS溶液清洗、室溫乾燥。
(6)抗原點樣。將適當濃度的抗原溶液滴入傳感器表面，室溫下22°C培育或在蒸汽浴37°C下培育，然後用PBS溶液清洗，室溫下乾燥。
(7)生物素化抗體的固定。將適當濃度的生物素化抗體溶液滴入傳感器表面，室溫 22°C培育,然後用PBS溶液清洗,室溫下乾燥。
(8)磁性標籤固定。磁性標籤為鏈酶親和素修飾的磁性納米粒子或由磁性納米粒子構成的磁珠。將適當濃度的磁性標籤滴入傳感器表面，室溫下培育，然後用PBS溶液清洗，室溫乾燥。
本實施例中，生物傳感器的信號採集系統為HP公司的4194A阻抗分析儀或 Agilent公司生產的4294A阻抗分析儀，通過在傳感器外部施加的磁場獲得檢測抗原的靈敏度。將巨磁阻抗效應傳感器連接至HP4194阻抗分析儀，阻抗分析儀產生恆定交流電流幅值10mA、頻率O. 5-20MHZ的交流電流並通過傳感器構成測試的閉合迴路。沿著傳感器的長度方向施加大小為I-IOOOe的直流磁場，對抗原存在的傳感器進行巨磁阻抗變化測試。當傳感器有磁性標記的抗原存在時，磁性標籤被標記在傳感器上，由於巨磁阻抗效應傳感器的高靈敏性，會觀測出磁性標籤有無情況下的GMI效應，其GMI效應的差異可表達抗原的存在，從而實現對待測血清腫瘤標誌物的檢測。
以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變形或修改，這並不影響本發明的實質內容。
權利要求
1.一種血清腫瘤標誌物檢測的巨磁阻抗效應生物傳感器，其特徵在於包括位於玻璃基片上的巨磁阻抗效應傳感器、位於巨磁阻抗效應傳感器上的絕緣層、位於絕緣層上的Au膜、位於Au膜上的生物敏感膜、位於生物敏感膜上的磁性標籤，以及與巨磁阻抗效應傳感器連接的信號採集系統；其中所述巨磁阻抗效應傳感器由位於玻璃基片上的NiFe/Cu/NiFe多層膜構成；所述生物敏感膜為一層納米級厚度的自組裝膜。
2.根據權利要求I所述的血清腫瘤標誌物檢測的巨磁阻抗效應生物傳感器，其特徵在於，所述巨磁阻抗效應傳感器外形呈曲折形結構，並採用MEMS工藝製作，所述NiFe/Cu/NiFe多層膜中NiFe薄膜厚度為2_6um，Cu膜厚度為l_6um，NiFe薄膜和Cu膜均採用電鍍工藝製作。
3.根據權利要求I所述的血清腫瘤標誌物檢測的巨磁阻抗效應生物傳感器，其特徵在於，所述絕緣層為三氧化二鋁，其厚度小於lum，採用濺射工藝製作的。
4.根據權利要求I所述的血清腫瘤標誌物檢測的巨磁阻抗效應生物傳感器，其特徵在於，所述Au膜為派射的Cr/Au薄膜,其厚度為100-500nm,用於修飾自組裝膜。
5.根據權利要求I所述的血清腫瘤標誌物檢測的巨磁阻抗效應生物傳感器，其特徵在於，所述生物敏感膜為11-巰基i^一烷酸，然後經EDC+NHS活化形成的，生物敏感膜可以連接各種單克隆抗體，單克隆抗體可以和被檢測的抗原結合。
6.根據權利要求1-5任一項所述的血清腫瘤標誌物檢測的巨磁阻抗效應生物傳感器，其特徵在於，所述的磁性標籤為鏈黴親和素修飾的磁性納米粒子或由磁性納米粒子構成的磁珠，可以和經生物素修飾的單克隆抗體或多克隆抗體相結合，生物素修飾的單克隆抗體或多克隆抗體可以和被檢測的抗原結合。
7.根據權利要求6所述的血清腫瘤標誌物檢測的巨磁阻抗效應生物傳感器，其特徵在於，所述的生物傳感器，採用自組裝膜技術固定單克隆抗體，單克隆抗體與抗原結合，帶有鏈酶親和素的磁性標籤與生物素化的多克隆抗體結合，由於抗原-抗體的免疫反應，磁性標籤被標記到傳感器的表面上，一旦有極微量的被檢測生物分子存在時，在外磁場作用下，磁性標籤產生的彌散磁場將導致傳感器的磁阻抗的變化，這種變化直接轉變為電壓信號，從而實現對相應生物分子的高靈敏度檢測。
8.根據權利要求1-5任一項所述的血清腫瘤標誌物檢測的巨磁阻抗效應生物傳感器，其特徵在於，所述的信號採集系統為HP公司的4194A阻抗分析儀或Agilent公司生產的4294A阻抗分析儀。
全文摘要
本發明提供一種血清腫瘤標誌物檢測的巨磁阻抗效應生物傳感器。該生物傳感器由位於玻璃基片上的巨磁阻抗效應傳感器、絕緣層、Au膜、生物敏感膜、磁性標籤及信號採集系統組成。巨磁阻抗效應傳感器由位於玻璃基片上的NiFe/Cu/NiFe多層膜構成，並採用MEMS工藝製作。絕緣層為三氧化二鋁，Au膜為濺射的Cr/Au薄膜，生物敏感膜為納米級厚度的自組裝膜，生物敏感膜可以連接各種單克隆抗體。磁性標籤為鏈黴親和素修飾的磁性納米粒子或由磁性納米粒子構成的磁珠，可以和經生物素修飾的單克隆抗體或多克隆抗體相結合。本發明傳感器檢測原理是採用雙抗夾心法，檢測靈敏度可以檢測血清腫瘤標誌物高達1ng/ml的抗原。
文檔編號G01N33/531GK102928596SQ201210397979
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月18日 優先權日2012年10月18日
發明者周勇, 陳翔, 雷衝, 王韜 申請人:上海交通大學