具有納米級磁場傳感器的單分子實時無標記動態生物感測的製作方法

2023-06-23 10:19:19

具有納米級磁場傳感器的單分子實時無標記動態生物感測


背景技術：

1.量化生物分子之間的相互作用的能力是例如診斷、篩查、疾病分期、法醫分析、妊娠測試、藥物開發與測試及科學與醫學研究等各種應用所關注的。生物分子相互作用的可測量特性的實例包含所述相互作用的親和力(例如，分子結合/相互作用的強度)及動力學(例如，發生分子締合及解離的速率)。
2.傳統酶聯免疫吸附測定(elisa)系統是需要最終稀釋反應產物的大體積的模擬系統，從而需要數百萬酶標記來產生可使用常規板式讀取器檢測的信號。因此，傳統elisa靈敏度限制於皮摩爾(pg/ml)範圍且高於皮摩爾(pg/ml)範圍。
3.與elisa系統相比，單分子系統本質上是數字的，這是因為每一分子提供可經檢測及計數的相應信號。單分子系統具有比檢測信號的絕對量或振幅更容易地確定信號的存在或不存在的優點。換句話說，計數比集成更容易。
4.近年來對單分子檢測的關注有所增加。舉例來說，covid-19大流行使癌症患者面臨比平常更高的風險，這是因為癌症患者在化學療法、幹細胞移植或外科手術之後可能更容易受到病毒感染。作為另一實例，需要超靈敏病毒及病原體檢測以便檢測covid-19或人類sars-cov-2抗體。可受益於單分子檢測的應用的另一實例是用以提供簡單且高度靈敏蛋白質生物標誌物檢測的單分子免疫測定。
5.單分子檢測對於一些應用已成為可能。舉例來說，經繫結粒子運動(tpm)技術的使用已使得可能檢測單個生物分子與錨定到感測裝置的表面的受體的結合。在tpm中，生物聚合物(例如，dna、rna等)的一個端被固定化到堅固支撐件上，由此形成「經繫結生物聚合物」，並且(例如，微米大小或納米大小的)小粒子附接到另一端。在溶液中，所述經繫結生物聚合物及所述所附接粒子由於受約束布朗運動(懸浮於介質中的粒子的無規則運動)而移動。所述經繫結生物聚合物(及所述所附接粒子)所佔據的體積是有限的且取決於所述經繫結生物聚合物的大小及形狀。直接與生物聚合物相互作用的酶可在任何給定時間改變所述生物聚合物的結構。舉例來說，對於dna及rna，所述所附接粒子所佔據的體積取決於dna的變形(例如，dna成環或dna延伸)而變化。通過觀察並解釋粒子的位置隨時間發生的改變，可描述(舉例來說)生物聚合物與酶在溶液中的相互作用的動力學及生物化學動力學。
6.所述經繫結生物聚合物可以是例如dna片段的核苷酸序列。結合事件通常更改受體的分子動力學。在併入互補核苷酸之前，所述dna片段可採取盤繞或u形(環形)構造(例如，由於所述核苷酸序列中存在(部分)回文)，且然後在併入互補核苷酸時採取更加線性或拉伸的構造。這一構造改變影響所述經繫結生物聚合物佔用的布朗運動體積。在tpm中，可通過將粒子(有時被稱為標記)附接到受體且使用光學技術觀察粒子的運動來檢測體積改變。
7.tpm系統中的數據採集通常採用高解析度、高速視頻顯微術來跟蹤並記錄由微環境的區域改變導致的粒子平均速度及運動範圍的納米級變化。已實施這一單分子分析技術(舉例來說)以用於對dna-蛋白質相互作用的動態試管內監測以及對蛋白質、dna及rna的生物化學引發構形改變的檢測。
8.由於tpm依賴於解決隨機運動模式的小變化的能力，因此圖像對比度必須是充足的且幀採集速率足夠高以使得能夠跟蹤粒子及後續分析。當前最新技術tpm系統可能以1-2nm定位準確度光學地跟蹤附接到短(例如，約50nm)系鏈的納米級粒子。儘管高解析度令人印象深刻，但在小視野內同時依循並分析的粒子數目限制於幾百個。因此，此類系統的吞吐量是有限的。增加視野以允許監測10,000個納米粒子會使定位準確度降級到大於約100nm。這一限制以及納米級的高吞吐量實時運動跟蹤的技術複雜性目前已將tpm的使用局限到學術科學好奇心範圍內且已阻止在例如診斷學及藥物發現等商業應用中的廣泛使用。
9.粒子大小在tpm測量中起著重要作用。大粒子比較小粒子更容易觀察及跟蹤，但其隨機運動由於粒子與受體之間的大尺寸差異而僅受單分子過程的微弱影響。此外，大的經繫結粒子與堅硬表面(例如，受體附接到其)的近接度產生對生物聚合物的拉伸力，從而改變其生物物理性質且在分子參與生物標誌物結合反應時可能導致結合平衡的顯著變化。因此，為準確地複製活體內過程，可期望使經繫結粒子儘可能地小。較小粒子的隨機運動模式也對由個別生物分子的結合導致的擾動更敏感。然而，關於小粒子的問題是其更難以使用光學系統進行觀察。已光學地觀察並跟蹤局限在2維生物薄膜內的強散射10nm金納米粒子。當粒子藉助生物聚合物繫結到表面且被允許進出於焦平面而移動時，較大大小(通常直徑大於40nm)對於可靠跟蹤是優選的。但這些尺寸使粒子比許多生物學相關過程中涉及的分子的大小大得多。由於以這些長度尺度散射的光量與直徑的六次方成比例，因此進一步減小粒子大小以匹配分子尺寸會使其甚至藉助當今可用的最先進光學系統而無法跟蹤。
10.因此，需要經改進單分子裝置、系統及方法來監測及/或量化生物分子之間的相互作用。


技術實現要素：

11.本發明內容表示本發明的非限制性實施例。
12.本文中公開用於使用磁性傳感器監測單分子過程的裝置、系統及方法。在一些實施例中，在本文中稱為mnp的磁性粒子(例如，磁性納米粒子)附接到也稱為系鏈的生物聚合物(例如，核酸、蛋白質等)，以檢測所述mnp的運動。舉例來說，可通過使用磁性傳感器觀察、依循或跟蹤所述mnp的位置及/或運動來檢測個別分子的結合、抗體/抗原反應及/或蛋白質或核酸的構造改變。所述mnp是小的(例如，其大小與所監測的分子的大小相當)且繫結到生物聚合物，而且所述mnp在溶液中的布朗運動體積由於所述mnp受所述溶液的分子轟擊而改變，由此改變所述mnp的位置且允許所述mnp的移動，並且通過推斷來觀察及/或監測所述經繫結生物聚合物。所述mnp的位置及/或運動的改變可依據從所述磁性傳感器獲得的信號的改變來推斷。舉例來說，對從所述磁性傳感器獲得的信號的自相關函數或功率譜密度的分析可揭露所述mnp的存在、位置及/或移動。
13.磁性傳感器(例如，納米級或具有大約所述mnp及/或所述生物聚合物的大小的大小)可用於在所述磁性傳感器的感測區域內檢測所述mnp的位置的甚至小改變。可在不存在任何mnp的情況下確定所述磁性傳感器的基線響應(例如，信號)，且然後在所述mnp已在所述磁性傳感器的感測區域內附接到生物聚合物之後，所述磁性傳感器所提供的所述信號是所述mnp的布朗運動與基線傳感器響應的疊加。因此，根據無規則過程移動的所述mnp的效果是將噪聲添加到基線傳感器響應。通過在時域及頻域中的任一者或兩者中檢測及/或分
析傳感器信號中來自mnp的噪聲促成因素(例如，通過檢測平均值附近的波動，檢查/處理/分析自相關函數或功率譜密度等)，可得出關於mnp的存在、位置及/或移動的結論。以這種方式，mnp可以是生物聚合物活性(例如，構造改變)的報告者。
14.由於所公開裝置、系統及方法不依賴於成像，因此mnp可基本上小於tpm系統中所使用的mnp，由此提供更高解析度且允許來自所選擇大小的裝置的更高吞吐量。此外，磁性傳感器及mnp可用於以高準確度可靠地檢測納米級運動(例如，大約幾納米的移動)。所公開裝置、系統及方法可在包含但不限於診斷、篩查、疾病分期、法醫分析、妊娠測試、藥物開發與測試、免疫測定、核酸測序及科學與醫學研究等各種單分子應用中使用。與依賴於光學器件的常規tpm或傳統elisa方法相比，所述所公開裝置、系統及方法提供潛在地高吞吐量以及更高靈敏度及準確度。
附圖說明
15.依據結合附圖對特定實施例進行的以下說明將容易地明了本發明的目標、特徵及優點，在附圖中：
16.圖1a是根據一些實施例的對附接到生物聚合物的mnp的運動進行納米級監測的示意性表示。
17.圖1b圖解說明根據一些實施例的所記錄傳感器信號的實例。
18.圖2a、2b、2c及2d圖解說明根據一些實施例的影響mnp速度及運動範圍模式的四個可逆生物分子單分子過程的實例。
19.圖3圖解說明根據一些實施例的磁性傳感器的一部分。
20.圖4a及4b圖解說明可根據一些實施例使用的磁阻(mr)傳感器的電阻。
21.圖5a圖解說明可根據一些實施例使用的自旋轉矩振蕩器(sto)傳感器。
22.圖5b展示在實例性條件下sto的實驗響應。
23.圖5c及5d圖解說明可根據一些實施例使用的sto的短納秒場脈衝。
24.圖6是在垂直磁性記錄(pmr)應用中使用的包含磁性傳感器的示範性讀頭的一部分的圖式。
25.圖7a圖解說明根據一些實施例的其附近不具有任何mnp的磁性傳感器。
26.圖7b圖解說明根據一些實施例的其正上方坐落有mnp的磁性傳感器。
27.圖7c圖解說明根據一些實施例的mnp與其橫向偏移的磁性傳感器。
28.圖8圖解說明根據一些實施例的在相對於磁性傳感器的各個位置處存在mnp的情況下示範性磁性傳感器的納米磁性模擬的結果。
29.圖9a是根據一些實施例的在其感測區域內具有mnp的示範性磁性傳感器的平面圖掃描電子顯微術(sem)圖像。
30.圖9b及9c圖解說明根據一些實施例的圖9a的示範性磁性傳感器的行為。
31.圖10a呈現根據一些實施例的用以分析mnp的運動的實例性模型。
32.圖10b是單個粒子以由dna鏈施加的諧波電勢進行擴散的圖形表示。
33.圖11a及11b圖解說明思維實驗。
34.圖12a圖解說明根據一些實施例的示範性磁性傳感器。
35.圖12b標繪實例性磁性傳感器的預期噪聲功率譜密度(psd)及表徵mnp的經局限布
朗運動的psd的洛倫茲函數。
36.圖13是由發明者進行的實驗的圖形圖解說明。
37.圖14圖解說明三個所測試磁性傳感器的所測量psd。
38.圖15a、15b、15c、15d及15e圖解說明研究磁性傳感器偏置電壓的影響的測試結果。
39.圖16圖解說明由於磁性傳感器而包含力分量的一維模型。
40.圖17a、17b及17c圖解說明根據一些實施例的系統的三個狀態。
41.圖18a、18b及18c圖解說明根據一些實施例的兩個示範性磁性傳感器的示範性所記錄電流波動及對應自相關函數。
42.圖19a是展示根據一些實施例的示範性監測系統的組件的框圖。
43.圖19b、19c及19d圖解說明根據一些實施例的示範性監測系統的各部分。
44.圖19e圖解說明根據一些實施例的傳感器陣列的磁性傳感器的圖案。
45.圖20是根據一些實施例的感測經繫結mnp的運動的示範性方法的流程圖。
46.圖21圖解說明根據一些實施例的經多路復用磁性數字均質非酶(honon)elisa中所涉及的數個組分。
47.圖22a及22b圖解說明根據一些實施例的經多路復用磁性數字honon elisa的示範性程序的部分。
48.圖23圖解說明根據一些實施例的經多路復用磁性數字honon elisa的示範性程序的額外步驟。
49.圖24a圖解說明根據一些實施例的添加含有多個生物標誌物的複合生物溶液。
50.圖24b是根據一些實施例的在添加含有多個生物標誌物的複合生物溶液之後傳感器陣列可能出現的外觀的描繪。
51.圖25圖解說明根據一些實施例的可如何依據特定磁性傳感器的所檢測噪聲psd檢測生物標誌物的結合。
52.圖26是圖解說明根據一些實施例的使用磁性傳感器陣列的方法的流程圖。
53.為了促進理解，已在可能的情況下使用相同元件符號來指定各圖共同的相同元件。預計，在一個實施例中，所公開的元件可有益地用於其它實施例中而無需具體敘述。此外，在一個圖式的上下文中對元件的描述可適用於圖解說明那一元件的其它圖式。
具體實施方式
54.嵌入於生物系統中的自由擴散或經繫結粒子的隨機運動揭露大量信息。對粒子運動的統計分析可透過其活體內結果促進對重要活體內過程的理解。儘管跟蹤小到10nm的自由擴散強散射粒子是研究生物薄膜的強大工具，但跟蹤經繫結粒子揭露了更加寬廣範圍的單分子行為。tpm實驗使用一個端錨定到堅硬表面且另一端附接到粒子的生物聚合物(例如，dna、rna、蛋白質)來監測各種生物物理及生物化學過程，但傳統tpm系統的吞吐量及準確度由於對跟蹤粒子的光學技術的依賴性而是有限的。
55.本文中公開用於動態感測不涉及成像的經繫結納米粒子運動模式的生物化學引發改變的裝置、系統及方法。替代地，本文中所公開的實施例使用磁性傳感器且監測那些磁性傳感器的響應以檢測經繫結磁性粒子的經局限擴散，這是因為經繫結磁性粒子在磁性傳感器的相應檢測區域內或進出於磁性傳感器的相應檢測區域隨機地移動。舉例來說，所述
磁性傳感器可以是納米級磁場傳感器(mfs)。舉例來說，磁性傳感器的所檢測響應或特性可以是時域或頻域中的所檢測穿隧電流、電壓或電阻或者可檢測的磁性傳感器的任何其它特性。磁性傳感器的檢測區域可具有(舉例來說)介於約105nm3與5
×
105nm3之間的體積。
56.舉例來說，磁性粒子可以是或包括磁性納米粒子(mnp)，例如(舉例來說)分子、超順磁納米粒子或鐵磁粒子。如所屬領域的技術人員將了解，磁性納米粒子一般被視為是直徑介於1與100納米(nm)之間的物質粒子。磁性粒子可以是具有高磁性各向異性的納米粒子。具有高磁性各向異性的磁性粒子的實例包含但不限於fe3o4、fept、fepd及copt。在涉及核苷酸的一些應用中，磁性粒子可經合成並塗覆有(舉例來說)sio2。參見(例如)m.aslam、l.fu、s.li及v.p.dravid的「(fept納米粒子的二氧化矽囊封及磁性)silica encapsulation and magnetic properties of fept nanoparticles」(膠體與界面科學雜誌(journal of colloid and interface science)，第290卷，第2期，2005年10月15日，第444頁到第449頁)。
57.舉例來說，磁性粒子可以是或包括有機金屬化合物。如將了解，有機金屬化合物是含有至少一個金屬與碳鍵(其中碳是有機基團的一部分)的任何數目的類物質。有機金屬化合物的實例包含吉爾曼試劑(其含有鋰及銅)、格利雅試劑(其含有鎂)、四羰基鎳及二茂鐵(其含有過渡金屬)、有機鋰化合物(例如，正丁基鋰(n-buli))、有機鋅化合物(例如，二乙基鋅(et2zn))、有機錫化合物(例如，三丁基氫化錫(bu3snh))、有機硼化合物(例如，三乙基硼(et3b))及有機鋁化合物(例如，三甲基鋁(me3al))。
58.舉例來說，磁性粒子可以是或包括帶電分子或可由納米級磁性傳感器檢測的任何其它功能分子基團。換一種說法，如果磁性傳感器可檢測到候選磁性粒子的存在，且所述候選磁性粒子可附接到所關注生物聚合物，那麼那一候選磁性粒子適合於在本文中所描述的裝置、系統及方法中使用。
59.儘管預期許多應用中所使用的磁性粒子將可能是納米粒子使得其具有與所觀察到的生物聚合物相當的大小，但本文中所描述的系統、裝置及方法一般適用於磁性粒子。因此，應理解，在本文中為了方便而使用縮寫「mnp」，且「mnp」一般可指代磁性粒子。因此，除非上下文另有指示，否則本文中提及或圖解說明mnp的公開內容未必僅限制於納米粒子。類似地，儘管預期mnp可以是超順磁的，但本發明不限制於與超順磁mnp一起使用。
60.圖1a及1b圖解說明根據一些實施例的使用磁性傳感器對mnp的運動進行納米級監測的原理。如圖1a中所展示，mnp 102通過生物聚合物101(例如，ssdna、dsdna、rna、蛋白質等)繫結到監測裝置的堅硬表面117。生物聚合物101也可稱為「系鏈」。由於與周圍流體的分子的相互作用，mnp 102在受約束運動區域203內經歷由圖1a中的箭頭103表示的隨機(無規則)運動，受約束運動區域203是圍繞距磁性傳感器105的某一平均距離《r》的體積。mnp 102在磁性傳感器105的感測區域206內或進出於感測區域206而移動。對於一些生物感測應用，感測區域206可具有(舉例來說)介於約105nm3與約5
×
105nm3之間的體積。當然，感測區域206的體積可經選擇以適合特定應用且可大於或小於這些值。取決於磁性傳感器105的設計(例如，其靈敏度)、施加到磁性傳感器105的偏置電壓、mnp 102的特性(例如，其大小)、生物聚合物101的特性(例如，其長度)及生物聚合物101相對於磁性傳感器105繫結到表面117的位置，受約束運動區域203與感測區域206可基本上重疊，或其可偏移，如圖1a的實例中所展示。類似地，受約束運動區域203及感測區域206的體積可相同或有所不同。在圖1a中所圖解
說明的實例中，受約束運動區域203大於感測區域206，且受約束運動區域203在橫向方向ρ上從感測區域206偏移。
61.圖1b圖解說明根據一些實施例的所記錄傳感器信號207的實例。在所述實例中，將傳感器信號207記錄為磁性傳感器105的某一可檢測特性的統計上固定的波動，所述可檢測特性可以是(舉例來說)所測量電流、電壓、電阻、振蕩頻率、相位噪聲、頻率噪聲或者指示磁性傳感器105的磁性環境的所檢測改變(例如，在感測區域206內，可由於mnp 102的存在、不存在及/或移動)的磁性傳感器105的任何其它特性，如下文進一步所描述。使用磁性傳感器105的一個益處是mnp 102可比在依賴於光學跟蹤的tpm系統中所使用的粒子小得多。在一些實施例中，舉例來說，mnp 102具有生物分子尺寸(例如，其大小可以是大約5nm或小於5nm)。
62.為允許檢測mnp 102，由於mnp 102的遷移率受與(例如，周圍溶液的)個別單分子的相互作用影響，如由傳感器信號207表示的磁性傳感器105的響應應發生改變。因此，可期望mnp 102足夠小使得其遷移率受其它分子影響。舉例來說，當相當大小的生物分子結合到附接到mnp 102的分子時或者當所述所附接分子(生物聚合物101)改變其構造時，傳感器信號207(例如，由於mnp 102的運動而產生的傳感器信號207的噪聲分量)應改變，如下文在對(舉例來說)圖18a、18b及18c的論述中所描述。在兩種情形中，經繫結mnp 102的有效流體動力學半徑改變，且其統計速度及運動範圍也改變。因此，當經繫結mnp 102通過特定目標結合固定在磁性傳感器105表面上或附近時且當系鏈/生物聚合物101(例如，dsdna、ssdna、rna、蛋白質)的構造狀態改變時，傳感器信號207振幅及噪聲兩者均應改變。
63.本文中所公開的系統、裝置及方法可用於檢測及/或監測生物分子過程的各種改變，例如(舉例來說)蛋白質成環(連接及斷開連接)、摺疊及展開的構造動力學、抗體/抗原相互作用以及其強度等。圖2a、2b、2c及2d圖解說明根據一些實施例的影響mnp 102速度及運動範圍模式的四個可逆生物分子單分子過程的實例。圖2a、2b、2c及2d中的每一者圖解說明磁性傳感器105以及生物聚合物101，生物聚合物101的一個端在磁性傳感器105附近(例如，在結合位點116處，下文所論述)結合到監測裝置的表面117，且生物聚合物101的另一端附接到mnp 102。圖2a及2c圖解說明示範性抗體-抗原反應，且圖2b及2d圖解說明示範性構造改變。圖2a圖解說明將例如(舉例來說)蛋白質、dna或rna的大生物分子結合到mnp 102會增加mnp 102的質量以及其有效流體動力學半徑，從而導致對可檢測的經局限擴散的改變。(如下文進一步所詳細描述，可通過檢測表徵mnp 102的經局限布朗運動的噪聲psd的洛倫茲函數的隅角頻率的改變來檢測與mnp 102相當的大小的分子的結合。)圖2b圖解說明例如(舉例來說)蛋白質或核酸摺疊及展開的顯著構造改變也改變也可經檢測的mnp 102的有效流體動力學半徑。類似於圖2a的圖2c圖解說明mnp 102可結合到固定在監測裝置的表面117上的分子(在圖2c的實例中被圖解說明為抗原)。可根據一些實施例研究相互作用的強度。圖2d圖解說明例如(舉例來說)dna或rna髮夾構造的系鏈(生物聚合物101)的構造改變也限制mnp 102的運動。核酸隨(舉例來說)溫度變化而如何表現(例如，包裹及打開)可受到關注。本文中所公開的裝置、系統及方法可用於檢測及/或監測改變，包含但不限於圖2a、2b、2c及2d中所圖解說明的那些改變。
64.磁性傳感器
65.本文中所公開的實施例使用至少一個磁性傳感器105(例如，磁阻納米級傳感器或
任何其它類型的磁性傳感器)來檢測耦合到生物聚合物101的一或多個mnp 102(例如，磁性納米粒子、有機金屬複合物、帶電分子等)的存在。圖3圖解說明根據一些實施例的示範性磁性傳感器105的一部分。圖3的示範性磁性傳感器105具有底部表面108及頂部表面109，且其包括三個層：第一鐵磁層106a、第二鐵磁層106b及位於第一鐵磁層106a與第二鐵磁層106b之間的非磁性間隔件層107。舉例來說，適合用於第一鐵磁層106a及第二鐵磁層106b中的材料包含co、ni及fe的合金(有時與其它元素混合)。在一些實施例中，使用薄膜技術來實施磁性傳感器105，且第一鐵磁層106a及第二鐵磁層106b經工程設計以使其磁矩在膜的平面中或垂直於膜的平面而定向。舉例來說，非磁性間隔件層107可以是例如(舉例來說)銅或銀的金屬材料，在所述情形中，所述結構被稱為自旋閥(sv)，或者非磁性間隔件層107可以是例如(舉例來說)氧化鋁或氧化鎂的絕緣體，在所述情形中，所述結構被稱為磁性隧道結(mtj)。
66.額外材料可沉積在圖3中所展示的第一鐵磁層106a、第二鐵磁層106b及非磁性間隔件層107下方及上方以用於例如界面平滑化、紋理化及/或免受用以將其中併入有磁性傳感器105的裝置圖案化的處理的目的。此外，如下文進一步所描述，磁性傳感器105可包裝在材料中或被所述材料覆蓋以保護其免受單分子分析中所使用的流體影響。然而，磁性傳感器105的作用區域位於圖3中所圖解說明的三層結構中。因此，與磁性傳感器105接觸的組件(例如，讀取電路系統)可與第一鐵磁層106a、第二鐵磁層106b或非磁性間隔件層107中的一者接觸，或者所述組件可與磁性傳感器105的另一部分接觸。
67.如圖4a及4b中所展示，磁阻傳感器(例如，一個可能類型的磁性傳感器105)的電阻與1-cos(θ)成比例，其中θ是圖3中所展示的第一鐵磁層106a的力矩與第二鐵磁層106b的力矩之間的角度。為了最大化由磁場產生的信號且提供磁性傳感器105對所施加磁場的線性響應，磁性傳感器105可經設計使得第一鐵磁層106a的力矩與第二鐵磁層106b的力矩在不存在磁場的情況下相對於彼此定向為π/2弧度或90度。可通過所屬領域中已知的任何數目的方法達成這一定向。舉例來說，一種解決方案是使用反鐵磁體以透過稱為交換偏置的效果來「釘扎」鐵磁層(第一鐵磁層106a或第二鐵磁層106b，指定為「fm1」)中的一者的磁化方向且然後用具有絕緣層及永久磁體的雙層塗覆磁性傳感器105。所述絕緣層避免磁性傳感器105的電短路，且所述永久磁體供應垂直於fm1的所述釘扎方向的「硬偏置」磁場，所述「硬偏置」磁場然後將使第二鐵磁體(第二鐵磁層106b或第一鐵磁層106a，指定為「fm2」)旋轉且產生所期望配置。平行於fm1的磁場然後使fm2圍繞這一90度配置旋轉，且磁性傳感器105的電阻的改變導致可經校準以測量作用於磁性傳感器105的場的電壓(或電流)信號(例如，傳感器信號207)。以這種方式，磁性傳感器105用作磁場轉電壓換能器。
68.對於生物感測應用，磁性傳感器105應經設計使得fm1與fm2微弱地耦合，且可在傳感器信號207中檢測到因存在mnp 102而導致的對fm2位置的擾動。如果fm1與fm2之間的耦合太強，那麼存在mnp 102不會在要檢測的傳感器信號207中產生太多的擾動。另一方面，如果fm1與fm2之間的耦合太弱，那麼磁性傳感器105可以是熱不穩定的，使得熱波動佔優勢且降低信噪比(snr)。如下文進一步將闡釋，經設計以在磁性記錄中使用的特定磁性傳感器105具有允許其用於特定生物感測應用的特性。
69.注意，儘管緊接上文論述的實例描述使用使其力矩在膜的平面中相對於彼此以90度定向的鐵磁體，但可替代地通過將鐵磁層(第一鐵磁層106a或第二鐵磁層106b)中的一者
的力矩定向在膜的平面以外而實現垂直配置，這可使用所謂垂直磁各向異性(pma)來完成。
70.在一些實施例中，磁性傳感器105使用稱為自旋轉矩的量子機械效應。在此類磁性傳感器105中，穿過sv或mtj中的第一鐵磁層106a(或替代地，第二鐵磁層106b)的電流優先允許自旋平行於層的力矩的電子透射穿過，而自旋反平行的電子更可能被反射。以這種方式，電流變得自旋極化，其中一種自旋類型的電子比另一種多。這一自旋極化電流然後與第二鐵磁層106b(或第一鐵磁層106a)相互作用，從而對那一層的力矩施加轉矩。這一轉矩可在不同情況中導致第二鐵磁層106b(或第一鐵磁層106a)的力矩在作用於鐵磁體的有效磁場周圍進動，或者所述轉矩可導致力矩在由系統中所感應的單軸線各向異性定義的兩個定向之間可逆地切換。所得自旋轉矩振蕩器(sto)通過改變作用於其的磁場而為可頻率調諧的。因此，所述所得自旋轉矩振蕩器具有充當磁場轉頻率(或相位)換能器(由此產生具有頻率的ac信號)的能力，如圖5a中所展示，圖5a圖解說明在磁性記錄時使用sto傳感器的概念。圖5b展示當跨域sto施加具有1ghz的頻率及5mt的峰值間振幅的ac磁場時透過延遲檢測電路獲得的sto的實驗響應。在短納秒場脈衝內的這一結果以及圖5c及5d中所展示的結果圖解說明這些振蕩器可如何用作納米級磁場檢測器。額外細節可存在於t.nagasawa、h.suto、k.kudo、t.yang、k.mizushima及r.sato的「(納秒脈衝磁場下自旋扭矩振蕩器頻率調製信號的延遲檢測)delay detection of frequency modulation signal from a spin-torque oscillator under a nanosecond-pulsed magnetic field」(應用物理雜誌(journal of applied physics)，第111卷，07c908(2012))中，所述文章出於所有目的據此以其全文引用方式併入。
71.在一些實施例中，磁性傳感器105包括sto以感測由耦合到生物聚合物101的mnp 102導致的磁場。磁性傳感器105經配置以檢測磁性傳感器105的磁性層的磁化的進動振蕩頻率的改變或者存在或不存在以感測mnp 102的磁場。磁性傳感器105可包含磁性自由層(例如，第一鐵磁層106a或第二鐵磁層106b)、磁性釘扎層(例如，第二鐵磁層106b或第一鐵磁層106a)及在自由層與釘扎層之間的非磁性層(例如，非磁性間隔件層107)，如上文在對圖3的論述中所描述。在一些實施例中，在操作中，耦合到磁性傳感器105的檢測電路系統感應穿過磁性傳感器105的層的(dc)電流。行進穿過磁性傳感器105的電子的自旋極化導致層中的一或多者的磁化的自旋轉矩引發進動。這一振蕩的頻率響應於通過mnp 102在磁性傳感器105附近產生的磁場而改變。在一些實施例中，傳感器的振蕩頻率或振蕩頻率中的噪聲(稱為相位噪聲或頻率噪聲)的改變可用於檢測磁場及因此mnp 102的存在、不存在或改變。
72.在一些實施例中，磁性傳感器105包括mtj，並且磁性傳感器105的電阻、穿過電流或跨越電壓的改變用於在磁性傳感器105的感測區域206內檢測mnp 102的存在、不存在或移動。舉例來說，與在硬碟驅動器中使用的那些mtj類似的mtj是適合於在本文中所描述的裝置、系統及方法中使用的磁性傳感器105的實例。此種磁性傳感器105可用於監測例如(舉例來說)20nm超順磁氧化鐵納米粒子的任何適合mnp 102的運動模式的納米級改變，如下文進一步所描述。應理解，還可使用例如fe3o4及fept的其它mnp 102，但下文的實驗結果是針對氧化鐵納米粒子，這是因為其它粒子(例如，fe3o4及fept)用以針對繫結進行功能化可能更具挑戰性，且用以使用掃描電子顯微術來成像以確認mnp 102在感測區域206中的存在是困難的或不可能的。類似地，可使用大於或小於20nm的mnp 102。
73.為闡釋可適用於在本文中所描述的裝置、系統及方法中使用的磁性傳感器105的
特定概念，圖6圖解說明可讀取先前在磁性記錄媒體上記錄的數據的磁性傳感器的操作。具體來說，圖6是在垂直磁性記錄(pmr)應用中使用的包含磁性傳感器的示範性讀頭240的一部分的圖式。記錄媒體250的表面在x-z平面中，就像讀取存儲於記錄媒體250上的信息的示範性讀頭240的空氣軸承表面(abs)一樣。記錄媒體250可具有上面可記錄有信息的多個同心磁軌，包含磁軌251(其是在圖6中被讀取的磁軌)。示範性讀頭240包含在晶片平面(其在使用圖6中所展示的座標時是x-y平面)中的多個層。所述多個層包含自由層260、參考層262及釘扎層264。自由層260、參考層262及釘扎層264可分別對應於上文所描述的第一鐵磁層106a、非磁性間隔件層107及第二鐵磁層106b(或等效地對應於第二鐵磁層106b、非磁性間隔件層107及第一鐵磁層106a)。參考層262的磁矩263在特定方向上，在圖6中展示為在正y方向上。釘扎層264的磁矩265可通過反鐵磁體266釘扎(固定在特定方向上)，如上文所描述。在圖6中，釘扎層264的磁矩265釘扎在負y方向上。自由層260的磁矩261響應於所施加或所感應磁場而自由旋轉。硬偏置區域268a及268b可與自由層260、參考層262及/或釘扎層264橫向地(在所謂的側磁軌方向上)坐落以供應垂直於釘扎層264的磁矩265的方向的磁場。在圖6中，硬偏置區域268a、268b的力矩269a、269b在頁面的右邊定向在正x方向上。耦合到所述層的電路系統270提供偏置電壓(或等效地，偏置電流)以讀取存儲於記錄媒體250上的信息。
74.如圖6中所展示，自由層260的磁矩261定向在某一預設或平衡方向(在圖6中，其在頁面右邊、沿著x軸線、垂直於參考層262的磁矩263且垂直於釘扎層264的磁矩265)上。如圖6中所展示，當記錄媒體250上的「位」導致朝向示範性讀頭240向上指向的磁場時，自由層260的磁矩261向上旋轉，從而建設性地將分量添加到通過電路系統270施加到示範性讀頭240的偏置所產生的磁場。因此，示範性讀頭240的電阻減小。相反地，當記錄媒體250上的「位」導致遠離示範性讀頭240向下指向的磁場時，自由層260的磁矩261在相反方向上向下旋轉，由此將破壞性分量添加到通過電路系統270施加的偏置所產生的磁場。因此，示範性讀頭240的電阻增加。電阻改變因此指示已檢測到記錄媒體250上的兩個可能「位」(向上或向下，這可解譯為0或1(或反之亦然))中的哪一者。
75.圖7a、7b及7c圖解說明根據本文中所公開的一些實施例的這些相當原理可如何應用於單分子感測裝置、系統及方法中。圖7a圖解說明在其附近不具有任何mnp 102的磁性傳感器105的各部分。在存在定向在正z方向上的所施加磁場h(例如，由偏置電壓導致)的情況下，自由層260的磁矩261以與x軸線所成的角度定向在圖7a的上部面板中所展示的方向上。如果所施加磁場h定向在負z方向上，那麼自由層260的磁矩261以與x軸線所成的角度定向在圖7a的下部面板中所展示的方向上。因此，由磁性傳感器105在所圖解說明條件下感測的峰值間電流(例如，當反轉所施加磁場的方向時在這些條件下的振幅差)由δi0給出。因此，δi0在不存在任何mnp 102的情況下為磁性傳感器105提供基線峰值正及負電流振幅。
76.圖7b圖解說明在mnp 102坐落於磁性傳感器105的自由層260正上方(在z方向上)的情況下的磁性傳感器105。如上部面板中所展示，在正z方向上的所施加磁場h致使mnp 102的磁矩變得基本上定向在與所施加磁場h相同的方向上。因此，在自由層260的位置處，由mnp 102導致的磁場建設性地添加到所施加磁場h，且自由層260的磁矩261現在以與x軸線所成的角度旋轉為更靠近於所施加磁場h的方向。如果所施加磁場h定向在負z方向
上，那麼自由層260的磁矩261以與x軸線所成的角度旋轉到圖7b的下部面板中所展示的方向，這是因為由mnp 102導致的磁場建設性地添加到所施加磁場h。由磁性傳感器105在這些條件下感測的電流的峰值間振幅由(其中「mp」代表「磁性粒子」)給出。由於與圖7a中所圖解說的情形相比自由層260的磁矩261與所施加磁場h更緊密地對準，因此磁性傳感器105的電阻相對於圖7a中的其值減少，且
77.圖7c圖解說明在mnp 102從磁性傳感器105的自由層260橫向偏移(具體來說，在x方向上偏移)的情況下的磁性傳感器105。如圖7c的上部面板中所展示，在正z方向上的所施加磁場h致使mnp 102的磁矩變得基本上定向在與所施加磁場h相同的方向上。然而，現在由於mnp 102從自由層260橫向偏移，因此由mnp 102導致的磁場在自由層260的位置處在與所施加磁場h相反的方向上。因此，由mnp 102導致的磁場減少所施加磁場h對自由層260的效果，且自由層260的磁矩261旋轉遠離圖7b中的其方向。現在，自由層260的磁矩261與x軸線成角度類似地，當所施加磁場h定向在負z方向上時，由於mnp 102的磁場減損自由層260的位置處的所施加磁場h，因此自由層260的磁矩261以與x軸線所成的角度旋轉，如圖7b的下部面板中所展示。在這種情形中，由磁性傳感器105感測的峰值間電流振幅減小到其中
78.因此，通過監測穿過磁性傳感器105的電流(或電流的任何代表，例如電阻或電壓；或者，在不同類型的磁性傳感器105的情形中，表示由磁性傳感器105感測的磁性環境的某一其它特性)，可檢測且監測mnp 102的存在及mnp 102相對於自由層260(及因此磁性傳感器105)的位置，如下文進一步所描述。圖8圖解說明根據一些實施例的在相對於示範性磁性傳感器105的各個位置處存在mnp 102的情況下磁性傳感器105的納米磁性模擬的結果。輪廓曲線圖402圖解說明當mnp 102在圖7a、7b及7c的x-y平面上方10nm(處於10nm的z值)時針對mnp 102在x-y平面中的各個位置作用於磁性傳感器105的磁場。如由橫截面406所指示，磁性傳感器105定中心在指示為位置404的x-y平面中的座標(0，0)處。橫截面406展示在y＝0的位置(由虛線416在輪廓曲線圖402中指示)處及在沿著z軸線的各個位置處磁場量值隨mnp 102沿著x軸線的橫向位置而變，範圍介於距離磁性傳感器105的表面10nm到60nm之間遠。曲線圖408展示沿著橫截面406中的虛線420的磁場量值。如所展示，當mnp 102在磁性傳感器105正上方10nm時，磁場振幅是大約100奧斯特，並且當mnp 102在磁性傳感器105上方60nm時，磁場振幅接近0。
79.橫截面412展示在x＝0的位置(由輪廓曲線圖402的虛線418指示)處及在沿著z軸線的各個位置處磁場量值隨mnp 102沿著y軸線的橫向位置而變，範圍介於距離磁性傳感器105的表面10nm到60nm之間遠。曲線圖414展示沿著橫截面412中的虛線422在輪廓曲線圖402中所展示的位置410(其處於沿著y軸線為39nm的橫向偏移)處的磁場量值。如所展示，當mnp 102在磁性傳感器105的表面上方10nm且橫向偏移39nm時，磁場振幅式大約-4奧斯特，且當mnp 102在磁性傳感器105上方60nm且橫向偏移39nm時，磁場振幅接近0。因此，圖8圖解說明當mnp 102在三維空間中改變位置時磁場的量值基本上改變。位置的甚至稍微改變導致所檢測磁場的改變。其振幅及方向兩者都改變，且可由磁性傳感器105的自由層260檢測這些改變。因此，mnp 102的位置可通過解譯來自磁性傳感器105的信號來推斷而非直接使用成像系統來觀察。
80.圖9a是在mnp 102限定在感測區域206(虛線標明感測區域206在x-y平面中的所估計或大致邊界)內的情況下示範性磁性傳感器105的平面掃描電子顯微術(sem)圖像，示範性磁性傳感器105是在x-y平面中具有大約30
×
40nm2的表面積的mtj。在所展示的實例性實施例中，結區平行於x-z平面(頁面外)，且穿隧電流在y軸線方向上流動。圖9a展示在感測區域206內的單個20nm mnp 102。最初為磁性記錄應用開發的示範性磁性傳感器105的有效感測區域206被設計為極其小(例如，介於約105nm3與約5
×
105nm3之間)以檢測記錄媒體中的小磁域的磁化定向且最大化磁性記錄的密度。因此，所述有效感測區域非常適合檢測如本文中所描述的mnp 102的隨機運動。應理解，感測區域206的體積可以是任何適合值，且上文給出的範圍僅僅是實例。
81.圖9b及9c圖解說明展示垂直於磁性傳感器105的表面而施加的外部磁場h的磁性傳感器105的橫截面圖。在圖9b中，mnp 102(其被描繪為圓圈但未被標記以避免使圖式模糊)固定在磁性傳感器105(其也未被標記但以對角線填充來展示)上方，且在磁性傳感器105附近，磁場線與外部場(其在傳感器區中展示為粗箭頭)對準。如上文所描述，當存在mnp 102時由磁性傳感器105測量的有效場增加，這是因為磁場建設性地增加。
82.在圖9c中，mnp 102(其被描繪為圓圈但未被標記以避免使圖式模糊)放置為距離磁性傳感器105(其再次也未被標記但用對角線填充來展示)橫向距離遠，且影響自由層260的磁場線指向與外部場相反的方向。在這種情形中，如上文所描述，由磁性傳感器105測量的有效磁場減小。當mnp 102橫向移動遠離磁性傳感器105時，由於存在mnp 102而對傳感器信號207的擾動因此迅速地從正改變到負。如由圖9b及9c所展示，磁場擾動對mnp 102相對於磁性傳感器105的位置極其敏感。當mnp 102如圖9b中所展示地在磁性傳感器105上方時mnp 102的磁場線與外部磁場對準，但當mnp 102如圖9c中所展示地橫向移位時其指向相反方向。
83.在圖9b及9c中由曲線209示意性地圖解說明mnp 102的移動對傳感器信號207的效果。當繫結在磁性傳感器105附近的mnp 102四處移動同時施加外部磁場以將mnp 102的磁矩固定在特定方向上時，mnp 102引發傳感器信號207中的動態隨機擾動。磁性傳感器105的響應受mnp 102的平面內(在x-y平面內)及平面外(沿著z軸線)運動兩者影響。甚至當未施加外部場時可由磁性傳感器105檢測具有充分高磁矩的mnp 102的存在。換句話說，所公開實施例可與(舉例來說)超順磁mnp及鐵磁mnp一起使用。
84.在常規tpm系統中所使用的視頻成像系統中，時間平均化結果(曝光時間)及觀察的頻率(幀速率)很好理解。儘管曝光時間及幀速率不限制對自由擴散布朗粒子進行跟蹤，但其確實嚴重影響對經歷異常(或經局限)擴散的粒子(例如生物系統中的經繫結納米粒子)的觀察。在使此種粒子成像時的時間平均化可對所報告運動的表觀特性造成嚴重後果，這是因為所觀察速度取決於觀察持續時間。在曝光時間太長時的極端情形中，粒子將是模糊的且將在某一平衡位置中看起來固定的。可通過系統、裝置及方法使用本文中所描述的磁性傳感器105緩解或克服這些缺點。
85.磁性傳感器105檢測傳感器信號207的改變的能力取決於檢測電路系統(例如，檢測放大器電路系統、其它檢測電子器件，如下文所描述)的響應性。舉例來說，如果磁性傳感器105的響應太慢(例如，由於檢測電路系統的限制，例如(舉例來說)採樣速率)，那麼監測裝置或系統可能夠在圖2c及2d中所圖解說明的過程期間檢測mnp 102何時移動到不同平衡
位置，但可能不能夠檢測不影響所述平衡位置但改變mnp 102的統計速度(例如(舉例來說)圖2a及2b中所展示的分子結合及構造改變)的過程。
86.與產生一系列粒子圖像以在空間及時間兩方面跟蹤粒子的位置的視頻成像系統不同，磁性傳感器105產生對由溶液的分子轟擊mnp 102導致的一系列無規則類似(但不相同)衝擊或脈衝的時間響應。自由擴散mnp 102可被視為估計可檢測mnp 102運動的磁性傳感器105的響應時間及採樣速率。對於通過長柔性聚合物(例如，生物聚合物101)繫結到磁性傳感器105的表面的mnp 102的情形，自由擴散mnp 102是良好第一約計。假定聚合物長度比感測區域206的尺寸長得多。這一約束通過阻止離開磁性傳感器105mnp 102擴散太遠(例如，離開感測區域206達延長時間周期)來增加檢測概率，但不以其它方式約束其運動，其仍可被視為簡單布朗運動。
87.可通過對朗之萬方程式求解在數學上描述流體中的粒子由於與所述流體的分子碰撞而發生的無規則移動。具有速度阻尼項的運動方程式解釋速度或摩擦。在短時間尺度下的粒子均方位移(msd)由下式給出：其中kb是玻爾茲曼常數，t是溫度，m是粒子質量，並且t是觀察時間。這基本上描述在熱動態平衡下具有約的平均速度的自由粒子運動。kbt在室溫(rt)(298k)下的值是4.11
×
10-21
j，並且氧化鐵的實例性mnp 102具有約5g/cm3的密度。這使20nm球形粒子的質量大約為2
×
10-20
kg，從而給出約0.8m/s的平均粒子速度。這比這一大小的膠質納米粒子的視覺上所觀察的速度大得多。僅可使用具有亞納米空間解析度及經歷周圍液體所賦予的平均拖曳力的粒子的低於放鬆時間(τb)的限制性響應時間的儀器來測量此種速度。粒子初始速度會隨減小，並且放鬆時間通過以下方式與流體的黏度(η)有關：其中a是粒子半徑。替代水速度(在室溫下)產生大約0.1ns的放鬆時間，其低於視頻成像系統的響應時間但在一些磁性傳感器105的伸展範圍內。在較長時間尺度(t》》τb)下，粒子msd在時間上線性增長：這描述由於與水分子碰撞而發生的無規則擴散。d是來自斯託克斯-愛因斯坦方程式的微觀擴散係數。20nm氧化鐵mnp 102的布朗運動是相當快速的(大約0.25mm/s)，並且粒子將花費平均約0.2ms來在大約100
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130nm有效感測區域之上擴散。這完全歸屬於可在千兆赫形態中操作的恰當地經設計的商業磁性傳感器105的範圍內，例如，其中響應時間以納米為單位。
88.磁性傳感器105對嚴格局限的納米粒子的運動的響應(例如，系鏈長度≈磁性傳感器105感測區域206大小≈mnp 102大小)相當難以解釋。mnp 102僅在感測區域206內區域地擴散，且其表觀擴散係數(自由擴散等效形式)受時間平均化的顯著影響。由於mnp 102的運動而產生的(例如，傳感器信號207的)到達信號脈衝既不離散也不界限分明。mnp 102運動產生添加到本徵磁性傳感器105噪聲的另一無規則噪聲源且改變所檢測傳感器信號207的噪聲特性。為了檢測mnp 102運動的改變，可利用在感測頻寬內信號頻譜與噪聲頻譜之間的差，如下文進一步所描述。如下文所描述而開發並實施例如能量檢測或自相關的各種進階感測方案以在低信噪比(snr)條件中改進檢測。
89.物理問題可被定義為輔助理解mnp 102的存在及位置如何影響磁性傳感器105。圖
10a呈現實例性模型。mnp 102通過系鏈附接到磁性傳感器105的表面。(應了解，且在本文中別處進一步闡釋，磁性傳感器105自身的表面可實際上通過某種保護障壁(例如絕緣體)與系鏈(例如，生物聚合物101)、mnp 102及作用於mnp 102的任何流體物理地分離。應理解，當本文件指稱「磁性傳感器105的表面」時，其是為了簡單，且磁性傳感器105的表面可不暴露而是物理上在附近。)舉例來說，系鏈(生物聚合物101)可包括如圖10a中所展示的聚乙二醇/生物素/卵白素。當周圍溶液的分子與mnp 102碰撞時，mnp 102經由隨機布朗擾動而移動。所述運動可約計為一維諧波電勢。具體來說，如圖10a中所展示，mnp 102可被視為彈簧上的質量(例如，生物聚合物101)。忽略重力，由周圍溶液的分子與mnp 102碰撞導致的驅動力是布朗的及隨機的。布朗驅動力隨mnp 102的直徑及以凱氏度數為單位的溫度而變，且其可表示為彈簧恢復力及液體阻尼力(其兩者都是確定性的)對抗驅動力。所述彈簧恢復力可表示為其中k是分子系鏈(例如，生物聚合物101)的彈簧常數，且x是mnp 102的位置。確定性液體阻尼力可表示為其中η是周圍液體的動態速度(對於在室溫下的水，其是大約)，且d是mnp 102的直徑。
90.擴散球形粒子在位置x處且在時間t的分布概率p的一維時間演化(給定在諧波電勢場中在時間t0的初始位置x0)由運動方程式給出：
[0091][0092]
其具有如下解
[0093][0094]
其中並且放鬆時間τ是在功率譜密度(psd)中，放鬆時間與本文中所謂的隅角頻率fc有關，其中fc＝1/πτ。因此，隅角頻率可被約計為
[0095][0096]
圖10b是m.lindner等人的標題為「(俘獲電勢中擴散粒子的動力學分析)dynamic analysis of a diffusing particle in a trapping potential」的論文的圖1的複製。(參見m.lindner等人的「(俘獲勢中擴散粒子的動力學分析)dynamic analysis of a diffusing particle in a trapping potential」，物理學評論e 87，022716(2013年)。)圖10b是單個粒子以由dna鏈施加的諧波電勢進行擴散的圖形表示。上部面板展示兩個構造，並且下部面板展示在具有x0＝-650nm的值的情況下為0.01τ、0.1τ及10τ的值δt≡(t-t0)的玻爾茲曼穩態分布以及概率分布。因此，下部面板提供mnp 102將在特定時間佔據特定位置的概率。
[0097]
為了圖解說明mnp 102的存在及移動如何影響由磁性傳感器105提供的傳感器信號207，首先考慮使用光學方法的思維實驗，如圖11a中所圖解說明。假定mnp 102具有20nm直徑且通過系鏈(例如，聚乙二醇/生物素/卵白素)結合到裝置的表面。進一步假定存在可產生與mnp 102的直徑相當的波長的光的光源，且光電二極體502檢測由結合到裝置的表面的mnp 102在特定方向上反射的光子。如果mnp 102是固定的且由光源照明，那麼所反射光
的強度將隨時間保持恆定。因此，光電二極體502信號505的psd將提供由光電二極體502促成的噪聲的指示。換句話說，只要mnp 102不移動，光電二極體502信號中的噪聲將完全由於光電二極體502的特性。假定光電二極體502的噪聲基底是白色的(例如，熱噪聲或詹森-尼奎斯特噪聲)，那麼噪聲的頻譜在某一低水平下是大約平坦的，如由圖11b中的短虛線所展示。當允許mnp 102移動時，隨機擾動致使mnp 102在經局限布朗運動中移動(這是因為系鏈阻止其飄走)。經局限布朗運動的psd是洛倫茲函數，其具有呈如下形式的psd
[0098][0099]
其中如上文所闡釋，隅角頻率再次參考圖11b，當允許mnp 102在經局限布朗運動中移動時光電二極體502信號505的總體psd是光電二極體502自身的白色噪聲與由於mnp 102的經局限布朗運動的洛倫茲函數的和。總體噪聲psd具有大約10khz的較低頻率肩(隅角頻率)及大約300khz的較高頻率肩，其中光電二極體502的噪聲基底開始主導總體噪聲psd。
[0100]
因為知曉經局限布朗運動的psd(其可被視為特徵)是洛倫茲函數，可通過以下方式以類似方式確定在不存在移動mnp 102的情況下及在存在移動mnp 102的情況下來自磁性傳感器105的傳感器信號207的預期psd：首先考慮其附近不具有任何mnp 102的磁性傳感器105的噪聲psd，且然後評估mnp 102應對那一噪聲psd的效果。圖12a圖解說明具有與先前在對圖6的論述中描述的配置類似的配置的示範性磁性傳感器105。對也在圖12a中展示的圖6的組件的闡釋適用於圖12a且不進行重複。
[0101]
完美mtj的噪聲psd展示1/f行為(其減小10db/十倍)。圖12b標繪所選擇偏置電壓(下文進一步所論述)所驅動的為完美mtj的實例性磁性傳感器105的預期噪聲psd以及表徵mnp 102的經局限布朗運動的psd的洛倫茲函數。在圖12b的實例中，洛倫茲函數超過在介於約2khz與約70khz之間的頻率範圍中的磁性傳感器105噪聲psd。因此，在重對數尺度上，在這一頻率範圍中，總體psd具有標記為140的可辨別「隆起」。因此，如果磁性傳感器105對mnp 102的存在敏感，那麼那一敏感性將表現為傳感器信號207的psd中的可辨別隆起140。如下文進一步所詳細論述，洛倫茲函數是否及在什麼頻率範圍中超過磁性傳感器105噪聲psd取決於各種因素，所述因素包含磁性傳感器105的設計及用於驅動磁性傳感器105的偏置電壓(或電流)以及確定洛倫茲函數的隅角頻率的上文所論述的因素(例如，分子系鏈的彈簧常數、mnp 102的直徑、環繞mnp 102的液體的動態速度)。
[0102]
為了驗證上文所呈現的理論分析，發明者使用呈mtj的形式的磁性傳感器105執行實驗以確定所收集傳感器信號207的psd是否實際上展現上文所導出的行為。圖13是實驗的圖形圖解說明。首先，如最左邊面板所展示，施加外部磁場，且捕獲傳感器信號207以在不存在任何mnp 102(如上文所描述，其理想地具有1/f量變曲線)的情況下確定磁性傳感器105的噪聲psd。接下來，關斷外部磁場，且使用如上文所描述的聚乙二醇/生物素/卵白素將mnp 102(20nm直徑)繫結到表面117。將偏置電壓施加到磁性傳感器105，這導致在磁性傳感器105附近的磁場。響應於這一磁場，mnp 102的磁化定向為自身與磁場對準且然後在受約束布朗運動中移動，如上文所描述。當mnp 102四處移動時捕獲傳感器信號207以捕獲磁性傳感器105的磁矩與磁性傳感器105的自由層260的磁矩261之間的偶極相互作用，如圖13的中
心及最右邊面板中用圖形所圖解說明。
[0103]
圖14圖解說明三個所測試磁性傳感器105的所測量psd。具有圓圈的每一虛線(標記為161)是所測試磁性傳感器105(不存在任何mnp 102)中的一者的噪聲psd，且具有菱形的每一實線(標記為162)是mnp 102與磁性傳感器105的組合psd。如圖14中的曲線圖所展示，組合psd中的每一者在檢測到mnp 102時具有特性隆起140。因此，實驗確認，對於大約10mv的偏置電壓，經繫結mnp 102表現得像局限在諧波電勢中的粒子。另外，其psd可由在大約488hz到120khz範圍中的洛倫茲函數表示，如圖14中所展示。如圖14中所指示，洛倫茲函數中的每一者的隅角頻率對於不同磁性傳感器105是稍微不同的，但所有隅角頻率是大約45khz。儘管圖14展示來自僅三個實例性磁性傳感器105的數據，但其它所測試磁性傳感器105表現得類似。在所有實驗中，發現由於mnp 102的經局限布朗運動的洛倫茲函數的隅角頻率是大約45khz。
[0104]
如上文所闡釋，隅角頻率取決於所選擇系鏈(例如，生物聚合物101)且具體取決於其彈簧常數。聚合物系鏈可被視為「熵」彈簧，如p-g.de gennes在「(聚合物物理中的標度概念)scaling concepts in polymer physics」(康奈爾大學出版社，伊薩卡，1979年)中所描述。拉伸或壓縮線圈遠離其平衡大小會減小可能構造數目，且因此減小熵。因此，自由能量增加。自由能量是鏈大小改變的二次方，並且彈簧常數由下式給出
[0105][0106]
其中r是線圈的大小，t是溫度，且kb是玻爾茲曼常數。在一些實施例中，可期望使用既軟又短的分子系鏈來將mnp 102固持在磁性傳感器105的感測區域206中，且也使隅角頻率(且因此使系統的採樣速率及相關聯模/數複雜性)對於小mnp 102是合理的。除先前所描述的聚乙二醇/生物素/卵白素系鏈之外，rna、嗜中性球微絨毛、peg
3300
、peg
6260
及聚(苯乙烯)是適合系鏈的所有實例。
[0107]
如上文所陳述，當存在mnp 102時，施加到磁性傳感器105的偏置電壓影響總體psd中的特性隆起140在所測量傳感器信號207中是否以及在多大程度上明顯。為了檢測mnp 102的存在及運動，可期望找到可添加到磁性傳感器105的噪聲psd以產生所檢測總體psd的洛倫茲函數。圖15a、15b、15c、15d及15e圖解說明為研究偏置電壓對這一程序的影響而進行的實驗的結果。圖15a展示當偏置電壓是11mv時的結果；圖15b展示當偏置電壓是25mv時的結果；圖15c展示當偏置電壓是50mv時的結果；圖15d展示當偏置電壓是75mv時的結果；並且圖15e展示當偏置電壓是100mv時的結果。
[0108]
如圖15a、15b、15c、15d與15e之間的比較指示，在較高偏置電壓下，將表示mnp 102的經局限布朗運動的洛倫茲函數擬合到所測量數據變得越來越困難。使用較高偏置電壓可能會觸發超擴散的發生，在所述情形中，mnp 102的運動將不再是經局限布朗運動，而是經驅動運動(例如，mnp 102將受額外力影響且將比其將在經局限布朗運動中移動的情況移動得更快)。如果磁性傳感器105影響(驅動)mnp 102的運動而非僅僅觀察其，則可導致超擴散。較高偏置電壓的結果是總體psd的高頻尾部的斜率大於2，這是超擴散的特徵。在發明者的實驗中發現，對於較高偏置電壓，mnp 102的psd不可由洛倫茲函數而是由如下的函數表示：
[0109][0110]
其中β是大於2的值。在各圖中展示針對圖15a、15b、15c、15d及15e中的偏置電壓中的每一者的值β。換句話說，圖15a、15b、15c、15d及15e中所呈現的實驗結果指示當偏置電壓太大時系統成為非線性的且是不可預測的。
[0111]
為了調整數學模型以解釋超擴散，上文所導出的一維諧波電勢約計可經修改以包含表示由磁性傳感器105偏置電壓導致的磁力的分量。圖16圖解說明模型可如何經修改以包含由於磁性傳感器105影響mnp 102的運動而產生的分量。再一次，mnp 102被視為是彈簧上的質量，其是系鏈(例如，生物聚合物101)。布朗驅動力、液體阻尼力及彈簧恢復力是相同的，如在圖10a中所展示且在上文對那一圖的論述中所描述。除那些力之外，圖16的模型也添加由磁性傳感器105導致的磁力，其表示為
[0112][0113]
其中是mnp 102的磁矩，且是mnp 102的位置處的磁場。擴散球形粒子在位置x處且在時間t的分布概率p的一維時間演化(給定在磁場梯度中在諧波電勢場中在時間t0的其初始位置x0)由運動方程式給出：
[0114][0115]
這一方程式不具有已知分析解。因此，流體動力學半徑與隅角頻率的關係在這些情況下是未知的。
[0116]
為了避免超擴散的開始且允許mnp 102在經局限布朗運動中移動而磁性傳感器105不基本上影響其運動，磁性傳感器105的偏置電壓應保持足夠低，使得因存在mnp 102導致的特性隆起140存在於總體psd中，且可與表示如上文所描述的mnp 102的經局限布朗運動的洛倫茲函數擬合。換一種說法，如果不可能使所測量psd數據與洛倫茲函數擬合，那麼用於驅動磁性傳感器105的偏置電壓可能太高且可能不需要減小。
[0117]
儘管上文的論述主要聚焦於mtj傳感器，且對sv傳感器進行一些闡釋，但應理解，磁性傳感器105可以是任何種類的磁性傳感器。在實驗中且作為實例使用mtj並非旨在為限制性的。適合磁性傳感器105包含但不限於大磁阻(gmr)傳感器、霍爾效應裝置、自旋閥及自旋累積傳感器。一般來說，磁性傳感器105可以是可允許依據傳感器信號207檢測mnp 102的存在/不存在及/或運動的任何磁性傳感器。
[0118]
額外工作實例
[0119]
為了證明本文中所描述的動態頻譜生物感測技術的可行性及實施方案，已使用坐落於流通池中的磁性傳感器105監測因改變緩衝液的離子強度而引發的示範性生物聚合物101(ssdna)的構造改變。
[0120]
在圖17a、17b及17c中示意性地展示所進行的實驗的三個階段。首先，如圖17a中所圖解說明，首先使用銅催化的疊氮化物-炔烴點擊化學程序在磁性傳感器105的感測區域206中將150核苷酸(nt)ssdna的5
』‑
末端附接到裝置的表面117。然後將3
』‑
末端生物素化的20-mer與ssdna的3
』‑
末端雜交。因此，圖17a圖解說明在已附接mnp 102之前在磁性傳感器105附近結合到表面117的示範性150nt ssdna。ssdna在磁性傳感器105附近結合到表面
117，使得磁性傳感器105可檢測結合到ssdna的另一端的mnp 102。在實驗中，然後在垂直於磁性傳感器105的經暴露表面的方向上(沿著圖17a中的z軸線，在正及負兩個方向上)施加均勻15奧斯特外部磁場，且在不存在任何mnp 102的情況下記錄傳感器信號207。
[0121]
接下來，將卵白素塗覆的20nm mnp 102附接到ssdna系鏈(生物聚合物101)的端。圖17b圖解說明附接有卵白素塗覆的20-nm mnp 102的ssdna系鏈。如圖17b中所展示，經繫結20-nm mnp 102在磁性傳感器105附近(例如，一般在其感測區域206內)。用卵白素塗覆mnp 102以允許其緊緊地結合到ssdna系鏈。覆疊於mnp 102上的箭頭表示mnp 102的隨機運動的程度。傳感器信號207記錄於10mm tris緩衝液中。
[0122]
添加(舉例來說)mg
2+
離子導致ssdna壓緊。因此，在添加mg
2+
離子之後，附接到ssdna的mnp 102的經局限隨機運動應會變得衰減。(tpm已基於聚尿苷(u)信使(m)rna觀察到類似行為。)因此，在測試中，將鎂離子添加到溶液。圖17c圖解說明在添加鎂離子且隨後壓緊ssdna系鏈之後的示範性狀態。相對於圖17b，mnp 102的隨機運動會衰減，如由覆疊於mnp 102上的較短箭頭表示。傳感器信號207記錄於15mm tris-mgcl2緩衝液中。
[0123]
儘管上文對圖17a、17b及17c的論述描述僅一個mnp 102及僅一個磁性傳感器105，但測試了使用磁性傳感器105、多個mnp 102及多個ssdna片段(生物聚合物101)的陣列。在所述測試中，未控制固定在流通池的表面上的ssdna的密度，且特定所觀察到的mnp 102可能藉助一個以上dna鏈附接到所述表面。(下文在(舉例來說)圖19a、19b、19c、19d及19e的上下文中描述用以緩解或消除這一概率的單分子系統。)因此，曾調整所附接mnp 102的密度以確保將存在磁性傳感器105，其中單個或僅幾個mnp 102繫結在磁性傳感器105附近以便確保在感測區域206內存在僅一個mnp 102。曾識別數個此類磁性傳感器105，且曾以6khz的中等採樣速率對那些磁性傳感器105的所記錄傳感器信號207進行採樣。在圖18a、18b及18c中呈現針對兩個此類代表性磁性傳感器105的所記錄傳感器信號207及對應自相關函數。
[0124]
圖18a圖解說明在存在所施加外部磁場h的情況下在兩個磁性傳感器105中的每一者附近將150nt ssdna(例如，各自為生物聚合物101)附接(固定)到表面117之後但在附接任何mnp 102之前表示為「傳感器1」及「傳感器2」的兩個不同示範性磁性傳感器105在兩秒的周期內的示範性所記錄電流波動(例如，傳感器信號207)。通過圖18a的最上部(非曲線圖)部分圖解說明所述狀態。換句話說，在圖17a中所描繪的階段，由強度對時間的曲線圖所展示的兩個磁性傳感器105中的每一者的所記錄電流波動是兩個磁性傳感器105(傳感器1及傳感器2)的背景或基線傳感器信號207。還針對傳感器1及傳感器2中的每一者在圖18a中展示所測量傳感器信號207的正及負自相關函數。自相關曲線圖中的每一者中的平滑短虛曲線是相應基線所測量傳感器信號207的平均自相關。
[0125]
圖18b圖解說明在附接mnp 102(在測試中，其是繫結到dna鏈中的每一者的端的相應20nm fe3o4粒子)之後且在添加tris緩衝液之後傳感器1及傳感器2的所測量傳感器信號207(強度對時間)以及其自相關函數。圖18b提供當ssdna呈其伸長構造且對應於圖17b中所描繪的階段時的結果。由圖18b的最上部(非曲線圖)部分圖解說明所述階段。引入mnp 102會致使相應傳感器信號207中的所記錄電流波動及自相關函數兩者相對於圖18a而改變。舉例來說，作為圖18a所指示與圖18b所指示之間的比較，傳感器1的正及負自相關函數在介於大約1ms與200到300ms之間的滯後時間內相對於基線傳感器信號207向上移位，然而傳感器2的自相關函數一般在介於約1ms與大約50ms之間的滯後時間內相對於基線傳感器信號207
向下移位。因此，可依據相對於圖18a的基線(當不存在mnp 102時)的自相關函數中的移位推斷在感測區域206內存在mnp 102。
[0126]
圖18c圖解說明當通過引入mg
2+
離子來壓緊dna系鏈(例如，生物聚合物101)時傳感器1及傳感器2的所測量傳感器信號207(強度對時間)以及其自相關函數。換句話說，圖18c對應於圖17c中所描繪的階段。由圖18c的最上部(非曲線圖)部分圖解說明所述階段。圖18b的自相關函數與圖18c及/或圖18a的自相關函數的比較揭露構造改變是可在自相關函數中檢測到的。舉例來說，關於圖18b針對傳感器1所展示的自相關函數，正及負自相關函數在添加mg
2+
離子之後在介於1ms與大約60到70ms之間的滯後時間內稍微向下移位且其也在高於大約300ms的滯後時間內堅持更靠近於平均自相關函數。類似地，關於圖18b中針對傳感器2所展示的自相關函數，因添加mg
2+
離子而導致的ssdna的構造改變表現為在介於約1ms與約50ms之間的滯後時間內正及負自相關函數的向下移位及在大約200到300ms的滯後時間內的向上移位。因此，如由圖18a、18b及18c所圖解說明，在三個狀態之間觀察噪聲自相關函數的顯著改變，由此允許在傳感器1及傳感器2的感測區域206內要檢測及/或監測的mnp 102的存在/不存在及運動兩者。
[0127]
圖18a、18b及18c中所描述及展示的結果確認磁性傳感器105可不僅檢測mnp 102平均平衡位置的改變，而且其還可監測由單分子過程引發的噪聲波動的小的可逆變化。具有單分子靈敏度的數以億計的此類磁性傳感器105可能集成於cmos平臺(例如，類似於東芝的4-gbit密度stt-mram晶片)上以在利用由半導體及數據存儲行業開發的現有成熟技術及高體積製造能力的同時形成用於診斷及藥物發現的下一代高吞吐量系統。
[0128]
特定所測試磁性傳感器105的釘扎層與自由層之間的耦合對於生物感測是適當的，如本文中所描述的實驗所指示。這些磁性傳感器105是適合磁性傳感器105的一個實例。還可使用在fm1與fm2之間具有耦合(其是針對生物感測應用或針對特定類的mnp 102最佳化的)的其它磁性傳感器105，並且其它磁性傳感器105可比實驗中所使用的示範性磁性記錄傳感器性能更好表現。
[0129]
監測裝置及系統
[0130]
如下文進一步所描述，在一些實施例中，用於監測耦合到生物聚合物101的mnp 102的運動的系統100可包括流體室115、至少一個處理器130及磁性傳感器105。所述流體室包含經配置以將生物聚合物101的一端附貼到流體室115的表面且允許mnp 102移動(例如，這是因為其受周圍流體的分子轟擊)的結合位點116。結合位點116可包含經配置以將生物聚合物101錨定到結合位點116的結構(例如，腔或脊)。
[0131]
磁性傳感器105可包括(舉例來說)mtj或sto。磁性傳感器105具有在流體室115內的感測區域206，在流體室115中其可檢測mnp 102。感測區域206可具有(舉例來說)介於約105nm3與約5
×
105nm3之間的體積。感測區域206包含結合位點116。磁性傳感器105經配置以產生表徵感測區域206內的磁性環境(例如，mnp 102的存在、不存在及/或位置)的傳感器信號207且將傳感器信號207提供給至少一個處理器130。傳感器信號207可傳達(例如，報告)電流、電壓、電阻、噪聲(例如，頻率噪聲或相位噪聲)、頻率或頻率(例如，振蕩頻率或洛倫茲隅角頻率)改變等中的一或多者。
[0132]
在一些實施例中，至少一個處理器130經配置以執行允許其進行以下操作的機器可執行指令：(a)在第一檢測周期期間獲得表示感測區域206內的磁性環境的傳感器信號
207的第一部分，(b)在所述第一檢測周期之後的第二檢測周期期間獲得表示感測區域206內的磁性環境的傳感器信號207的第二部分，及(c)分析傳感器信號207的所述第一部分及所述第二部分以檢測經繫結mnp 102的運動。舉例來說，如下文進一步所描述，至少一個處理器130可確定所述信號的所述第一部分的第一自相關函數，確定所述信號的所述第二部分的第二自相關函數，且分析所述第一自相關函數及所述第二自相關函數(例如，比較所述第一自相關函數與所述第二自相關函數)以檢測經繫結mnp 102的運動。至少一個處理器130可在時域、頻域或兩者中處理傳感器信號207或其的各部分。在一些實施例中，至少一個處理器130經配置以確定表徵mnp 102的經局限布朗運動的洛倫茲函數。
[0133]
系統100可進一步包含耦合到磁性傳感器105且耦合到至少一個處理器130的檢測電路系統120。舉例來說，電路系統120可包含允許至少一個處理器130讀取或詢問磁性傳感器105的一或多個線路。電路系統120可包含例如模/數轉換器及/或放大器的組件。
[0134]
在一些實施例中，監測系統100包括在使用中各自用個別單生物分子功能化的多個磁性傳感器105，使得監測系統100能夠在每一磁性傳感器105處檢測單分子過程。圖19a是展示根據一些實施例的示範性監測系統100的組件的框圖。如所圖解說明，示範性監測系統100包含傳感器陣列110，傳感器陣列110耦合到電路系統120，電路系統120耦合到至少一個處理器130。傳感器陣列110包括可以任何適合方式布置的多個磁性傳感器105，如下文進一步所描述。(應理解，傳感器陣列110包含至少一個磁性傳感器105。)
[0135]
電路系統120可包含(舉例來說)允許傳感器陣列110中的磁性傳感器105由至少一個處理器130詢問(例如，藉助於所屬領域中熟知的例如電流或電壓源、放大器、模/數轉換器等其它組件)的一或多個線路。舉例來說，在操作中，處理器130可致使電路系統120將偏置電壓或電流施加到此類線路以檢測報告傳感器陣列110中的至少一個磁性傳感器105的磁性環境的傳感器信號207。傳感器信號207指示感測區域206內的mnp 102的存在、不存在、位置及/或移動。換句話說，傳感器信號207指示磁性傳感器105的某一特性(例如，磁場、電阻、電壓、電流、振蕩頻率、信號水平、噪聲水平、頻率噪聲、相位噪聲等)。可檢查及/或處理傳感器信號207以確定磁性傳感器105是否隨著時間逝去而檢測到mnp 102或mnp 102的運動(例如，位置改變)。舉例來說，至少一個處理器130可監測傳感器信號207的一或多個時域、頻域、確定性及/或統計性質(例如，峰值或平均振幅、波動、從平均或預期峰值偏移、自相關、功率譜密度等)且確定檢測到(或未檢測到)mnp 102或mnp 102的移動。作為特定實例，至少一個處理器130可將磁性傳感器105的傳感器信號207在所選擇時間或在所選擇時間周期內的形式(例如，自相關、psd等)與傳感器信號207在較早時間或在較早或不同時間周期內的形式進行比較(例如，基線自相關，如上文在對圖17a、17b及17c的論述中所描述或如下文在對例如圖21-26的論述中所描述的基線噪聲psd)，並且基於傳感器信號207的改變來確定mnp 102是否被檢測到或是否已移動。舉例來說，至少一個處理器130可在第一檢測周期期間確定傳感器信號207的第一總體噪聲psd且在第二檢測周期期間確定傳感器信號207的第二總體噪聲psd，且分析mnp 102是否存在及/或已移動。在一些實施例中，至少一個處理器130確定洛倫茲函數，所述洛倫茲函數在添加到磁性傳感器105的基線噪聲psd時產生在第一檢測周期及第二檢測周期中的一者或兩者期間傳感器信號207的總體噪聲psd。
[0136]
傳感器信號207及其所傳達的用以表徵磁性傳感器105的磁性環境的信息可取決於在監測系統100中所使用的磁性傳感器105的類型。在一些實施例中，磁性傳感器105是可
檢測(舉例來說)磁場或電阻、磁場改變或電阻改變或者噪聲水平的磁阻(mr)傳感器(例如，mtj、sv等)。在一些實施例中，傳感器陣列110的磁性傳感器105中的每一者是能夠使用mr效果來檢測附接到生物聚合物101的mnp 102的薄膜裝置，生物聚合物101結合到與磁性傳感器105相關聯的相應結合位點116。磁性傳感器105可操作為具有隨所感測磁場改變的強度及/或方向而變化的電阻的電位計。在一些實施例中，磁性傳感器105包括磁性振蕩器(例如，sto)，並且傳感器信號207報告由所述磁性振蕩器產生的頻率或頻率改變、頻率噪聲或相位噪聲。
[0137]
在一些實施例中，至少一個處理器130在電路系統120的幫助下檢測傳感器陣列110中的一些或所有磁性傳感器105的磁性環境的偏差或波動。舉例來說，與在存在mnp 102的情況下的磁性傳感器105相比，在不存在mnp 102的情況下mr類型的磁性傳感器105應具有高於特定頻率的相對小噪聲，這是因為來自mnp 102的場波動將導致感測鐵磁體的力矩的波動。舉例來說，可使用外差檢測(例如，通過測量噪聲功率密度)或通過直接測量磁性傳感器105的電流或電壓來測量這些波動，且使用用以與不感測結合位點116的另一傳感器元件進行比較的比較器電路來評估這些波動。在一些實施例中，磁性傳感器105包含sto元件，並且來自mnp 102的波動磁場由於瞬時頻率改變(其可使用相位檢測電路檢測到)而導致磁性傳感器105的相位跳動。
[0138]
應理解，本文中所提供的mnp 102及磁性傳感器105的實例僅僅是示範性的。一般來說，可附接到生物聚合物101的任何類型的mnp 102可連同可檢測那一類型的mnp 102的任何類型的磁性傳感器105的陣列110一起使用。
[0139]
還應理解，監測系統100的組件可以是分布式的，或者其可包含於單個物理裝置中。舉例來說，如果至少一個處理器130包含一個以上處理器，那麼第一處理器可以是包含至少一個磁性傳感器105的傳感器陣列110的裝置(例如，晶片)的一部分，並且第二處理器可在不同物理體位置(例如，所附接電腦中的晶片外)中。作為特定實例，監測系統100內的第一處理器可經配置以從磁性傳感器105檢索傳感器信號207，並且監測系統100內的第二處理器(未必是與第一處理器相同的物理設備的一部分)可處理傳感器信號207(例如，計算自相關函數、psd、洛倫茲函數等，及/或執行信號處理及/或分析等)以檢測mnp 102的存在/不存在及/或運動。因此，圖19a中所圖解說明的組件可以是共置的或分布式的。以不同方式來陳述，系統可在單個實體裝置中包括圖19a中所圖解說明的組件，或者圖19a組件可以是分布式的。同樣地，監測系統100可包含其它組件，例如(舉例來說)用以存儲傳感器信號207或傳感器信號207的經採樣或經處理版本的存儲器或者供由至少一個處理器130執行的指令以及其它。
[0140]
圖19b、19c及19d圖解說明根據一些實施例的用於檢測並監測單分子過程的示範性監測系統100的各部分。圖19b是監測系統100的一部分的俯視圖。圖19c是在由在圖19b中標記為「19c」的長虛線指示的位置處的橫截面圖，並且圖19d是在由在圖19b中標記為「19d」的長虛線指示的位置處的橫截面圖。
[0141]
圖19b、19c及19d中所展示的監測系統100的示範性部分包括用於感測在監測系統100的流體室115內的mnp 102的傳感器陣列110。傳感器陣列110包含多個磁性傳感器105，其中在圖19b的陣列110中展示十六個磁性傳感器105。應了解，監測系統100的實施方案可包含任何數目的磁性傳感器105(例如，少到一個或者數百個、數千個、數百萬或甚至數十億
個磁性傳感器105)。為了避免使圖式模糊，在圖19b中標記僅七個磁性傳感器105，即磁性傳感器105a、105b、105c、105d、105e、105f及105g。(為了簡化，本文件一般通過元件符號105指稱磁性傳感器105。個別磁性傳感器105被賦予元件符號105後續接著字母。)如上文所闡釋，磁性傳感器105可在其相應感測區域206內檢測mnp 102的存在或不存在及mnp 102的移動。換句話說，磁性傳感器105中的每一者可檢測在其附近(例如，在感測區域206中)是否存在mnp 102，並且由磁性傳感器105提供的傳感器信號207還提供mnp 102是否及如何移動的指示。
[0142]
現在參考圖19c及19d連同圖19b，每一磁性傳感器105在監測系統100的示範性實施例中被圖解說明為具有圓柱形形狀。然而，應理解，磁性傳感器105一般可具有任何適合形狀。舉例來說，磁性傳感器105可在三個維度上是立方體的。此外，不同磁性傳感器105可具有不同形狀(例如，有些可以是立方體的且其它是圓柱形的等)。應了解，圖式僅僅是示範性的。
[0143]
如圖19c及19d中所展示，監測系統100包含流體室115。流體室115包括在表面117上的多個結合位點116。流體室115固持流體(例如，緩衝液、核苷酸前體、其它流體或溶液)。在所圖解說明實施例中，每一磁性傳感器105與相應結合位點116相關聯。(為了簡單，本文件一般通過元件符號116指稱結合位點。個別結合位點被賦予元件符號116後續接著字母。)換句話說，磁性傳感器105與結合位點116呈一對一關係。如圖19b中所展示，磁性傳感器105a與結合位點116a相關聯，磁性傳感器105b與結合位點116b相關聯，磁性傳感器105c與結合位點116c相關聯，磁性傳感器105d與結合位點116d相關聯，磁性傳感器105e與結合位點116e相關聯，磁性傳感器105f與結合位點116f相關聯，並且磁性傳感器105g與結合位點116g相關聯。圖19b中所展示的其它未被標記磁性傳感器105中的每一者還與相應結合位點116相關聯。在圖19b、19c及19d的實例性實施例中，每一磁性傳感器105被展示為安置於其相應結合位點116下方，但應理解，結合位點116可相對於其相應磁性傳感器105在其它位置中。舉例來說，結合位點116可在其相應磁性傳感器105側面。
[0144]
結合位點116中的每一者經配置以將不超過一個生物聚合物101(例如，ssdna、rna、蛋白質等)結合到流體室115內的表面117。換句話說，每一結合位點116具有旨在允許一個且僅一個生物聚合物101結合到其以由相應磁性傳感器105(或多個磁性傳感器105，如下文所論述)進行感測及監測，由此使系統100為單分子系統的特性及/或特徵。相應磁性傳感器105此後可檢測並監測附接到結合到結合位點116的生物聚合物101的mnp 102的移動。在一些實施例中，結合位點116具有經配置以將生物聚合物101錨定到結合位點116的結構(或多個結構)。舉例來說，所述結構(或所述結構)可包含腔或脊。圖19c及19d圖解說明從流體室115的表面117延伸的結合位點116，但應認識到，結合位點116可與流體室115的表面117齊平或蝕刻到流體室115的表面117中。
[0145]
結合位點116可具有促進將一個且僅一個生物聚合物101附接到每一結合位點116的任何適合大小及形狀。舉例來說，結合位點116的形狀可與磁性傳感器105的形狀類似或相同(例如，如果磁性傳感器105在三個維度上是圓柱形的，那麼結合位點116還可以是圓柱形的，從流體室115的表面117突出或在流體室115的表面117內形成流體容器，具有可比相應磁性傳感器105的半徑大、比所述半徑小或與所述半徑相同的大小的半徑；如果磁性傳感器105在三個維度上是立方體的，那麼結合位點116還可以是立方體的，且比磁性傳感器105
的最靠近部分大、比所述最靠近部分小或是與所述最靠近部分相同的大小等)。一般來說，流體室115的結合位點116及表面117可具有促進將單個生物聚合物101附接到每一結合位點116的任何形狀及特性且允許磁性傳感器105檢測附接到結合到其相應結合位點116的生物聚合物101的mnp 102的存在及運動。
[0146]
圖19c及19d圖解說明具有在x-y平面中延伸的頂部部分的經封圍流體室115，但不要求流體室115被封圍。在一些實施例中，流體室115的表面117具有保護傳感器105免受流體室115中的任何流體影響的性質及特性，同時仍允許生物聚合物101結合到結合位點116且允許磁性傳感器105檢測附接到附接到結合位點116的生物聚合物101的mnp 102。流體室115(及可能結合位點116)的材料可以是或包括絕緣體。在一些實施例中，流體室115的表面117包括有機聚合物、金屬或矽酸鹽。舉例來說，流體室115的表面117可包含金屬氧化物、二氧化矽、聚丙烯、金、玻璃或矽。流體室115的表面117的厚度可經選擇使得磁性傳感器105可檢測附接到結合到流體室115內的結合位點116的生物聚合物101的mnp 102。在一些實施例中，表面117是大約3到20nm厚，使得每一磁性傳感器105距附接到結合到相應結合位點116的生物聚合物101的任何mnp 102介於大約5nm與大約50nm之間。應理解，這些值僅僅是示範性的。將了解，實施方案可具有流體室115，流體室115具有較厚或較薄表面117，且如上文所闡釋，感測區域206可以是任何適合大小。
[0147]
監測系統100的電路系統120可包含傳感器陣列110或通過一或多個線路125附接到傳感器陣列110。在一些實施例中，每一磁性傳感器105耦合到至少一個線路125。在圖19b、19c及19d中所展示的實例中，監測系統100包含八個線路125a、125b、125c、125d、125e、125f、125g及125h。(為了簡單，本文件一般通過元件符號125指稱所述線路。個別線路被賦予元件符號125後續接著字母。)在圖19b、19c及19d的示範性實施例中，若干對線路125可用於存取(例如，讀取或詢問)個別磁性傳感器105。在圖19b、19c及19d中所展示的示範性實施例中，傳感器陣列110的每一磁性傳感器105耦合到兩個線路125。舉例來說，磁性傳感器105a耦合到線路125a及125h；磁性傳感器105b耦合到線路125b及125h；磁性傳感器105c耦合到線路125c及125h；磁性傳感器105d耦合到線路125d及125h；磁性傳感器105e耦合到線路125d及125e；磁性傳感器105f耦合到線路125d及125f；並且磁性傳感器105g耦合到線路125d及125g。在圖19b、19c及19d的示範性實施例中，線路125a、125b、125c及125d被展示為駐存於磁性傳感器105之下，並且線路125e、125f、125g及125h被展示為駐存於磁性傳感器105上方。圖19c展示與線路125d及125e有關的磁性傳感器105e、與線路125d及125f有關的磁性傳感器105f、與線路125d及125g有關的磁性傳感器105g以及與線路125d及125h有關的磁性傳感器105d。圖19d展示與線路125d及125h有關的磁性傳感器105d、與線路125c及125h有關的磁性傳感器105c、與線路125b及125h有關的磁性傳感器105b以及與線路125a及125h有關的磁性傳感器105a。
[0148]
圖19b、19c及19d中所展示的示範性監測系統100的磁性傳感器105布置於具有矩形圖案的傳感器陣列110中。(應了解，正方形圖案是矩形圖案的特殊情形。)線路125中的每一者識別傳感器陣列110的行或列。舉例來說，線路125a、125b、125c及125d中的每一者識別傳感器陣列110的不同行，並且線路125e、125f、125g及125h中的每一者識別傳感器陣列110的不同列。如圖19c中所展示，線路125e、125f、125g及125h中的每一者沿著橫截面與磁性傳感器105中的一者接觸(即，線路125e與磁性傳感器105e的頂部接觸，線路125f與磁性傳感
器105f的頂部接觸，線路125g與磁性傳感器105g的頂部接觸，並且線路125h與磁性傳感器105d的頂部接觸)，並且線路125d與傳感器105e、105f、105g及105d中的每一者的底部接觸。類似地，且如圖19d中所展示，線路125a、125b、125c及125d中的每一者沿著橫截面與傳感器105中的一者的底部接觸(即，線路125a與磁性傳感器105a的底部接觸，線路125b與磁性傳感器105b的底部接觸，線路125c與磁性傳感器105c的底部接觸，並且線路125d與磁性傳感器105d的底部接觸)，並且線路125h與磁性傳感器105d、105c、105b及105a中的每一者的頂部接觸。
[0149]
在圖19b中圖解說明磁性傳感器105及連接到傳感器陣列110的線路125的各部分，圖19b使用虛線來指示所述組件可嵌入於監測系統100內。如上文所闡釋，可保護磁性傳感器105(例如，通過絕緣體)免受流體室115的內含物影響，流體室115自身可被封圍。因此，應理解，各種所圖解說明組件(例如，線路125、磁性傳感器105、結合位點116等)在監測系統100的物理實例化中未必是可見的(例如，所述組件可嵌入於例如絕緣體的保護材料中或被所述保護材料覆蓋)。
[0150]
在一些實施例中，一些或所有結合位點116駐存於越過磁性傳感器105的線路125中的納米阱或溝槽中。舉例來說，如圖19d的實例中所展示，線路125h在磁性傳感器105之上可比其在磁性傳感器105之間薄。舉例來說，線路125h具有在磁性傳感器105d上方的第一厚度、介於磁性傳感器105d與105c之間的第二較大厚度及在磁性傳感器105c上方的所述第一厚度。可有利地使用常規薄膜製作方法(例如，通過沉積材料，將掩模施加到所述所沉積材料，且根據所述掩模移除(例如，通過蝕刻)所述所沉積材料中的一些材料)來製作此種配置。可使用常規技術來製作結合位點116及(如果存在)納米阱兩者。
[0151]
為了簡化闡釋，圖19b、19c及19d圖解說明具有在傳感器陣列110中的僅十六個磁性傳感器105、僅十六個對應結合位點116及八個線路125的示範性監測系統100。應了解，監測系統100可在傳感器陣列110中具有更少或更多磁性傳感器105，且因此其可具有更多或更少結合位點116。類似地，包含線路125的實施例可具有更多或更少線路125。一般來說，可使用磁性傳感器105、結合位點116及允許磁性傳感器105檢測附接到結合到結合位點116的生物聚合物101的mnp 102的電路系統120(例如，包含線路125)的任何配置。類似地，可使用允許從磁性傳感器105檢索傳感器信號207的一或多個線路125或某一其它機構的任何配置。本文中所呈現的實例不旨在為限制性的。
[0152]
圖19b、19c及19d中所展示的磁性傳感器105緊密接近於結合位點116，且因此其也緊密接近於生物聚合物101及結合到結合位點116的mnp 102。
[0153]
儘管圖19b、19c及19d圖解說明呈一對一關係的磁性傳感器105及結合位點116，但應了解，可由不止一個磁性傳感器105感測每一結合位點116。舉例來說，如果監測系統100具有比結合位點116多的磁性傳感器105，那麼可能通過多個磁性傳感器105感測至少一些mnp 102(例如，以改進mnp 102的檢測準確度及其運動)。此種方法可通過提供觀察多樣性來改進snr。
[0154]
在圖19b、19c及19d的上下文中展示並描述的示範性傳感器陣列110是矩形陣列，其中磁性傳感器105被布置成行及列。換句話說，傳感器陣列110的所述多個磁性傳感器105被布置成矩形柵格圖案。在一些實施例中，所述矩形柵格圖案的鄰近行及列是彼此等距的，這致使磁性傳感器105被布置成正方形柵格(或晶格)圖案，如圖19e中所圖解說明。在磁性
傳感器105被布置成正方形柵格圖案的實施例中，每一磁性傳感器105具有高達四個最近鄰。舉例來說，如圖19e中所展示，磁性傳感器105a具有標記為105b、105c、105d及105e的四個最近鄰。最靠近傳感器105是最近鄰距離112遠，如圖19e中所展示。因此，傳感器105b、105c、105d及105e中的每一者距磁性傳感器105a最近鄰距離112遠。
[0155]
根據一些實施例，實例性監測系統100可使用能夠檢測個別mnp 102的密集包裝的納米級磁性傳感器105的高精確度納米級製作，如上文在對圖18a、18b及18c的論述中所描述。經功能化結合位點116的大小可類似於(舉例來說)附接有mnp 102的生物聚合物101的大小，使得多個生物聚合物101無法結合到同一結合位點116或由同一磁性傳感器105感測(例如，使得每一磁性傳感器105檢測/感測僅一個mnp 102)。可基於磁性傳感器105的性質(例如，靈敏度、大小等)、監測系統100旨在監測的生物聚合物101的性質(例如，長度、柔軟度等)及所使用的mnp 102的性質(例如，大小、類型等)來確定最近鄰距離112的適當值(其然後可用於確定傳感器陣列110的大小及/或可裝配在所選擇大小的傳感器陣列110內的磁性傳感器105的最大數目)。舉例來說，生物聚合物101的組合長度及要使用mnp 102的大小可提供對傳感器陣列110中的兩個磁性傳感器105可定位多近的物理限制。在一些實施例中，磁性傳感器105的大小可受用於製造傳感器陣列110的過程的納米級圖案化能力限制。舉例來說，使用在寫入時可用的技術，每一磁性傳感器105的大小(例如，假定圓柱形傳感器105，則為傳感器105在x-y平面中的直徑)可以是大約20nm。假定要監測的生物聚合物101的類型是ssdna，且可期望監測長度高達150nt的片段，要定序的生物聚合物101的最大長度在伸長狀態中是大約50nm，儘管ssdna構造可取決於緩衝液的離子強度而在伸長與盤繞之間變化。由於mnp 102參與單分子反應，因此mnp 102應具有分子尺寸。如上文所闡釋，mnp 102可以是(舉例來說)超順磁納米粒子、有機金屬化合物或可由納米級磁性傳感器105檢測的任何其它功能性分子基團。
[0156]
如上文所闡釋，可使用呈各種配置的磁性傳感器105來實施實例性監測系統100。舉例來說，在監測系統100的一些實施例中，磁性傳感器105(例如，mtj)被布置成與現有交叉點mram傳感器幾何結構相同的正方形晶格。作為特定實例，可使用具有與2016年在國際電子裝置會議(iedm)首先介紹的單個東芝4g-bit密度stt-mram晶片類似的配置的傳感器陣列110。在這種情形中，每一納米級磁性傳感器105或其緊接附近的區可經功能化以用作相應結合位點116。東芝平臺的磁性傳感器105之間的最小最近鄰距離112是90nm，假定mnp 102是超順磁納米粒子(例如，氧化鐵、鐵鉑礦等)，生物聚合物101的長度是150nt，且傳感器陣列110是與非易失性數據存儲應用中所使用的磁性隧道結(mtj)類似的磁性隧道結(mtj)的矩形(例如，正方形)陣列，則最小最近鄰距離112是充足間距。
[0157]
應理解，呈柵格圖案(例如，如圖19b中所展示的正方形晶格)的磁性傳感器105布置是許多可能布置中的一者。所屬領域的技術人員將了解，磁性傳感器105的其它布置也是可能的且在本文中的公開內容的範圍內。舉例來說，磁性傳感器105可布置成六邊形圖案，在所述情形中，每一磁性傳感器105具有高達六個最近鄰，全部在最近鄰距離112處。如所屬領域的技術人員將了解，可依據對磁性傳感器105的大小、形狀及性質、生物聚合物101的預期長度以及要使用的mnp 102的大小及類型的了解導出具有結合位點116與磁性傳感器105的六邊形布置的監測系統100的傳感器包裝極限(例如，最近鄰距離112的最小值)。
[0158]
實例性監測方法
[0159]
如上文所描述(例如，在對圖17a、17b、17c、18a、18b及18c的論述中)，可在用於監測單分子過程的方法中使用本文中所描述的磁性傳感器105。圖20是根據一些實施例的感測經繫結mnp 102的運動的示範性方法300的流程圖。在302處，任選地，在磁性傳感器105附近不具有任何mnp 102的情況下確定磁性傳感器105的噪聲psd。如上文所闡釋，這一步驟(如果執行)建立可與其它psd進行比較以確定是否存在mnp 102的基線傳感器psd。
[0160]
在304處，mnp 102耦合到生物聚合物101(例如，核酸、蛋白質等)的第一端。如上文所闡釋，mnp 102可以是任何適合粒子，包含(舉例來說)超順磁粒子及/或具有幾納米(例如，小於大約5nm)的直徑的粒子。mnp 102可以是不同大小(例如，20nm)。mnp 102可包括或可以是可由磁性傳感器105檢測的任何適合材料。舉例來說，mnp 102可以是或包括氧化鐵(feo)、fe3o4或fept。
[0161]
在306處，生物聚合物101的第二端(另一端)耦合到由磁性傳感器105感測的結合位點116。如上文所描述，結合位點116可在監測系統100的流體室115內。也如上文所描述，磁性傳感器105可以是任何適合傳感器。舉例來說，磁性傳感器105可包括mtj或sto。
[0162]
在308處，在第一檢測周期期間且在第二檢測周期期間從磁性傳感器105獲得傳感器信號207。如上文所闡釋，傳感器信號207可以是或指示(舉例來說)電流、電壓、電阻、噪聲(例如，頻率噪聲或相位噪聲)、頻率(例如，sto的振蕩頻率)、磁場等。所述第一檢測周期及所述第二檢測周期可以是部分地重疊的時間周期，或其可以是非重疊的，在所述情形中，可在所述第一時間周期與所述第二時間周期之間添加溶液(例如，含有mg
2+
離子)(例如，添加到檢測裝置流體室115)(例如，如上文在對圖17b及17c以及圖18b及18c的闡釋中所論述)。
[0163]
在310處，基於對傳感器信號207在所述第一檢測周期與所述第二檢測周期之間的改變的分析來檢測mnp 102的運動。可(舉例來說)通過以下方式檢測傳感器信號207在所述第一檢測周期與所述第二檢測周期之間的改變：獲得所述信號的對應於所述第一檢測周期的一部分的第一自相關；獲得所述信號的對應於所述第二檢測周期的一部分的第二自相關；及識別所述第一自相關與所述第二自相關之間的至少一個差(例如，通過將如上文在對圖18a、18b及18c的論述中所描述的自相關函數進行比較)。作為另一實例，可部分地通過確定至少一個洛倫茲函數來檢測傳感器信號207在所述第一檢測周期與所述第二檢測周期之間的改變，所述至少一個洛倫茲函數在添加到磁性傳感器105的噪聲psd時在所述第一檢測周期及/或所述第二檢測周期期間產生傳感器信號207的psd。可基於擬合在所述第一檢測周期期間捕獲的傳感器信號207的洛倫茲函數與擬合在所述第二檢測周期期間捕獲的傳感器信號207的洛倫茲函數的比較來確定mnp 102的運動。可在時域、頻域或兩者的組合中執行傳感器信號207的處理及/或分析。舉例來說，如上文所描述，傳感器信號207的在不同時間獲取的各部分的自相關函數可揭露由磁性傳感器105感測mnp 102的移動。在一些情況下，時域處理對於這一分析可以是優選的。作為另一實例，如上文所描述，可處理傳感器信號207的psd及/或psd與洛倫茲函數擬合，及/或可將不同洛倫茲函數進行比較。在一些情況下，這一處理在頻域中可更方便。作為又一實例，如果傳感器信號207傳達頻率(例如，磁性傳感器105的sto的振蕩頻率)，那麼頻域處理(例如，在時域數據的傅立葉變換之後)可以是優選的。作為又一實例，可計算或確定自相關函數且將所述自相關函數變換到頻域中以用於進一步分析。
[0164]
將了解，以示範性次序圖解說明方法300的步驟，但可以不同次序執行所述步驟中
的至少一些步驟。作為僅僅一個實例，可在步驟304之前執行步驟306(例如，如上文在對圖17a、17b及17c的論述中所描述)。還將了解，可實時(或幾乎實時)或在稍後時間執行圖20中所圖解說明的步驟中的特定步驟。舉例來說，步驟302(如果完全執行)可比其它步驟中的任一者更早地執行，或者甚至在已完成其它步驟中的所有步驟之後(例如，在已衝洗掉mnp 102之後)執行。作為另一實例，可記錄在步驟308期間收集的一或多個信號，並且可對所記錄數據執行步驟310。具體來說，可在測試或實驗期間讀取/詢問磁性傳感器105，且可記錄呈其原生形式或呈另一格式(例如，經採樣、放大、正規化等)的所收集傳感器信號207(例如，保存到存儲器)。在某一稍後時間，一或多個處理器(例如，至少一個處理器130)可檢索並處理所記錄傳感器信號207且確定在測試或實驗期間經移動的磁性傳感器105是否及/或何時及/或如何監測mnp 102。
[0165]
經多路復用磁性數字均質非酶(honon)elisa
[0166]
如上文所闡釋，傳統elisa(類似物)讀出系統需要最終稀釋反應產物的大體積，從而需要數百萬酶標記來產生可利用常規板式讀取器檢測的信號。傳統elisa靈敏度限於皮摩爾(例如，pg/ml)範圍及高於所述範圍。
[0167]
相比之下，單分子測量本質上是數字的。每一分子產生可經檢測及計數的信號。測量信號(1及0)的存在或不存在比檢測信號的絕對量更容易。數字elisa靈敏度是大約渺摩爾(am)到亞飛摩爾(fm)。
[0168]
單分子數字elisa技術的一個實例是quanterix的基於simoa珠的測定。(參見https：//www.quanterix.com/simoa-technology/，2021年6月30日最後一次訪問。)在simoa中，順磁粒子耦合到經設計以結合到特定目標的抗體。這些粒子被添加到樣本。然後添加能夠產生螢光的檢測抗體，其中目標是形成由珠、經結合蛋白質及檢測抗體組成的免疫複合物。如果濃度足夠低，那麼每一珠將含有一個經結合蛋白質或零個經結合蛋白質。然後將樣本裝載到具有許多微阱的陣列中，每一微阱足夠大以固持一個珠。在藉助螢光襯底及螢光成像進行酶信號放大之後，可分析數據。
[0169]
傳統elisa及數字elisa兩者是涉及酶信號放大以及通常持續數個小時的多個耗時潛伏、反應及衝洗步驟的異質測定。均質測定是允許由簡單混合與讀取程序進行測定測量而不需要通過分離或衝洗步驟處理樣本(這大大縮短了分析時間)的測定格式。然而，短檢測時間通常與經降低靈敏度及動態範圍有關。
[0170]
可能藉助均質測定的簡單性來獲得與數字elisa相當的高度靈敏檢測。舉例來說，均質熵驅動生物分子測定(heba)在不使用酶或精確溫度循環的情況下實現一鍋法催化放大的信號產生。(例如，參見donghyuk kim等人的「(生物分子相互作用的均勻熵驅動放大檢測)homogeneous entropy-driven amplified detection of biomolecular interactions」，acs納米，2016年7月，10(8)，7467-75。)
[0171]
已證明不具有信號放大的數字均質非酶(honon)免疫吸附測定elisa。(例如，參見kenji akama等人的「(基於單粒子運動分析的免衝洗免放大數字免疫分析)wash-and amplification-free digital immunoassay based on single-particle motion analysis」，acs納米，2019年11月，13(11)，13116-26；kenji akama及hiroyuki noji的「(基於單粒子運動分析的經多路復用均質數字免疫分析)multiplexed homogeneous digital immunoassay based on single-particle motion analysis」，晶片實驗室，第12期，2020
年；kenji akama及hiroyuki noji的「(用於均質數字免疫分析的多參數單粒子運動分析)multiparameter single-particle motion analysis for homogeneous digital immunoassay」，晶片實驗室，第12期，2020年。)
[0172]
與光學、等離子體及電化學生物傳感器相比，磁性生物傳感器(例如，本文中所描述的磁性傳感器105)展現低背景噪聲，這是因為大部分生物環境是非磁性的。傳感器信號207也不太受樣本基質的類型影響，由此允許準確且可靠檢測過程。因此，本文中所描述的系統(例如，系統100)、裝置及方法的實施例可用於提供可能所謂的「經多路復用磁性數字honon elisa」。
[0173]
圖21圖解說明根據一些實施例的經多路復用磁性數字honon elisa中所涉及的數個組分。為了實例，假定存在三個要測試的生物標誌物a、b及c，如圖21中所展示。為了測試這三個生物標誌物，也圖解說明三個抗生物標誌物珠a、b及c。每一珠包含mnp 102及系鏈結合基團(圖解說明為小圓圈)以允許其結合到柔性分子系鏈。可針對每一珠使用相同類型的mnp 102，或不同珠可包含不同類型的mnp 102。舉例來說，包含於抗生物標誌物珠a、b及c中的mnp 102可具有相同類型(例如，具有相同化學組合物(例如，feo、fe3o4、fept等)的單個類型的mnp 102可用於所有抗生物標誌物珠a、b及c)。另一選擇是，兩個或多於兩個mnp 102類型可用於不同抗生物標誌物珠(例如，feo可用於抗生物標誌物珠a，fept可用於抗生物標誌物珠b，等等)。在圖21中，抗生物標誌物a珠包含第一類型的mnp 102a，抗生物標誌物b珠包含第二類型的mnp 102b，所述第二類型可相同於或不同於所述第一類型，並且抗生物標誌物c珠包含第三類型的mnp 102c，所述第三類型可相同於或不同於所述第一類型及/或所述第二類型。不同類型的抗生物標誌物類型在圖式中是不同陰影以允許其彼此區分開，但應了解，圖式中的陰影未必意指在使用中的mnp 102的化學組合物是不同的。
[0174]
如上文所描述，監測系統100可包含傳感器陣列110。圖21圖解說明根據一些實施例的此種傳感器陣列110的一部分118。部分118包含三個磁性傳感器105，即，磁性傳感器105a、磁性傳感器105b及磁性傳感器105c。每一磁性傳感器105具有在傳感器陣列110的表面117上的相應結合位點116(即，磁性傳感器105a具有結合位點116a，磁性傳感器105b具有結合位點116b，並且磁性傳感器105c具有結合位點116c)，結合位點116可在流體室115內。相應柔性分子系鏈(例如，生物聚合物101)在每一結合位點116處附接到表面117。舉例來說，系鏈101a在結合位點116a處，系鏈101b在結合位點116b處，並且系鏈101c在結合位點116c處。
[0175]
圖22a及22b圖解說明根據一些實施例的用於經多路復用磁性數字honon elisa的示範性程序的一部分。圖22a圖解說明將包含mnp 102a的多個抗生物標誌物a珠引入到傳感器陣列110(例如，通過將溶液添加到監測系統100的流體室115)。如在圖22a的右手邊所展示，包含mnp 102a的抗生物標誌物a珠在磁性傳感器105a所感測的結合位點116a處結合到系鏈101a。圖22b圖解說明將mnp 102a結合到系鏈101a如何影響由磁性傳感器105檢測到的傳感器信號207(為了實例而假定為mtj)。如由傳感器信號207及圖22b的左手邊的曲線圖所展示，在包含mnp 102a的抗生物標誌物a珠已結合到系鏈101a之前，傳感器信號207的噪聲psd展現當不存在mnp 102時mtj傳感器所預期的1/f特性。圖22b的右手邊圖解說明在mnp 102a已結合到系鏈101a之後傳感器信號207的噪聲psd展現由於存在總體噪聲的洛倫茲函數而預期的特性隆起140。總體噪聲psd中存在隆起140指示mnp 102已在磁性傳感器105a處
結合到系鏈101a。由於此時已添加僅抗生物標誌物a珠，因此可詢問傳感器陣列110中的所有磁性傳感器105以識別其總體psd中的哪些具有隆起140且由此確定抗生物標誌物a珠的位置(例如，以確定所有系鏈101中的哪些已併入有類型a的抗生物標誌物珠)。
[0176]
圖23圖解說明圖22a及22b中所描繪的示範性程序中的額外可能步驟。上文在對圖22a及22b的論述中描述標記為「(a)」及「(b)」的圖23的各部分。那一論述適用於圖23且未被重複。在記錄抗生物標誌物a珠在傳感器陣列110中的位置之後，可任選地添加另一多個抗生物標誌物珠。舉例來說，接下來，圖23圖解說明添加多個抗生物標誌物b珠，其中的一者包含mnp 102b。如圖23的標記為「(c)」的部分中所展示，包含mnp 102b的抗生物標誌物b珠在磁性傳感器105c處結合到系鏈101c。如上文所闡釋，可在磁性傳感器105c的傳感器信號207中檢測到mnp 102b的存在：由於mnp 102b所促成的洛倫茲分量，總體噪聲psd將具有隆起140。因此，可通過詢問先前未感測到抗生物標誌物a珠的傳感器陣列110的磁性傳感器105來確定抗生物標誌物b珠在傳感器陣列110內的位置。在已確定感測抗生物標誌物b珠的磁性傳感器105的身份之後，知曉在傳感器陣列110內檢測抗生物標誌物a珠的磁性傳感器105的身份/位置及檢測抗生物標誌物b珠的磁性傳感器105的身份/位置。
[0177]
接下來，任選地，可添加另一多個抗生物標誌物珠。舉例來說，接下來，圖23圖解說明添加多個抗生物標誌物c珠，其中的一者包含mnp 102c。如圖23的標記為「(d)」的部分中所展示，包含mnp 102c的抗生物標誌物c珠在磁性傳感器105b處結合到系鏈101b。如上文所闡釋，可在磁性傳感器105b的傳感器信號207中檢測到mnp 102c的存在：總體噪聲psd將由於mnp 102c所促成的洛倫茲分量而具有隆起140。因此，可通過詢問之前未感測到抗生物標誌物a珠或抗生物標誌物b珠的傳感器陣列110的磁性傳感器105來確定抗生物標誌物c珠的位置。在已確定感測抗生物標誌物c珠的磁性傳感器105的身份之後，全部知曉檢測抗生物標誌物a珠的磁性傳感器105的身份/位置、檢測抗生物標誌物b珠的磁性傳感器105的身份/位置、檢測抗生物標誌物c珠的磁性傳感器105的身份/位置及在傳感器陣列110內未感測到任何mnp 102的磁性傳感器105的位置/身份。
[0178]
任選地，可添加額外類型的抗生物標誌物珠(例如，可測試多於或少於三個類型的生物標誌物)，且如上文所描述地確定這些額外抗生物標誌物珠的位置。
[0179]
接下來，如圖24a中所圖解說明，可添加對應於先前所添加抗生物標誌物珠的生物標誌物(例如，添加到監測系統100的流體室115)。圖24a圖解說明添加含有所有生物標誌物a、b及c的複合生物溶液。由於抗生物標誌物a珠、抗生物標誌物b珠及抗生物標誌物c珠的位置是已知的，且由於每一生物標誌物類型將僅結合到相同類型的抗生物標誌物珠，因此可在無幹擾的情況下同時添加所有要測試的生物標誌物。如圖24a的實例中所圖解說明，類型a的生物標誌物結合到包含附接到系鏈101a的mnp 102a的抗生物標誌物a珠。類似地，類型b的生物標誌物結合到包含附接到系鏈101c的mnp 102b的抗生物標誌物b珠，且類型c的生物標誌物結合到包含附接到系鏈101b的mnp 102c的抗生物標誌物c珠。圖24b展示繼添加含有所有三個生物標誌物a、b及c的複合生物溶液之後整個傳感器陣列110可能看起來如何的實例。(應了解，如上文所闡釋，傳感器陣列110實施方案可具有比本文中在圖式中所展示的多很多的磁性傳感器105(例如，數千個、數百萬個等)。)
[0180]
圖25圖解說明可如何依據特定磁性傳感器105的傳感器信號207的所檢測噪聲psd檢測生物標誌物的結合。圖25的左手邊圖解說明在mnp 102a已結合到系鏈101a之後磁性傳
感器105a的實例性噪聲psd(例如，對應於在圖22a的右手邊展示的傳感器陣列110的狀態)。圖25的左邊大小展示當添加到傳感器噪聲psd時產生傳感器信號207中的總體噪聲的psd的分量傳感器噪聲psd(由磁性傳感器105a導致)及洛倫茲函數(由mnp 102a導致)。在所圖解說明實例中，洛倫茲函數的隅角頻率是大約10khz，如上文所描述，其是mnp 102a的直徑的函數：
[0181][0182]
其中(如上文所描述)，η是周圍液體的動態黏度(對於在室溫下的水，其是大約)，d是mnp 102a的直徑，並且k是分子系鏈101a的彈簧常數。
[0183]
圖25的右手邊圖解說明在添加複合生物溶液之後且在類型a的生物標誌物已結合到含有mnp 102a的抗生物標誌物a珠(其在磁性傳感器105a處結合到系鏈101a)之後磁性傳感器105a的實例性噪聲psd。還展示在添加到傳感器噪聲psd之後產生傳感器信號207中的總體噪聲的psd的組件傳感器噪聲psd及洛倫茲函數。傳感器噪聲psd與在圖25的左手邊相同，但洛倫茲函數已由於併入有類型a的生物標誌物而有所改變。假定類型a的生物標誌物的直徑與mnp 102a的直徑大致相同，洛倫茲函數的隅角頻率將移位到由下式給出的較低頻率
[0184][0185]
因此，在磁性傳感器105a處存在生物標誌物a使mnp 102a的表觀直徑大致加倍，這導致洛倫茲函數的隅角頻率的不可忽視移位。通過檢測隅角頻率的這一移位，可檢測生物標誌物a在磁性傳感器105a處的存在。可類似地檢測生物標誌物(無論什麼類型)在其它磁性傳感器105處的存在。
[0186]
圖26是根據一些實施例的檢測生物標誌物結合的過程600的流程圖。舉例來說，過程600可用於檢測生物事件(例如在圖2a的上下文中所論述的生物事件)以及其它。在602處，在不存在任何mnp 102的情況下(例如，在感測區域206中不具有任何mnp 102的情況下)確定傳感器陣列110的磁性傳感器105的噪聲psd。在604處，將生物聚合物101(系鏈)耦合到由相應磁性傳感器105感測的相應結合位點116。在606處，製備多個抗生物標誌物珠。如上文在對圖21的論述中所描述，抗生物標誌物珠包含mnp 102。在608處，將(例如，要測試的第一類型的)第一組抗生物標誌物珠添加到監測系統100的流體室115。在610處，確定檢測抗生物標誌物珠的磁性傳感器105的身份(或位置)。如上文所闡釋(例如，在對圖22a及22b的論述中)，可通過確定在添加抗生物標誌物珠(及因此mnp 102)之後傳感器信號207的總體噪聲psd是否由於添加表徵由mnp 102導致的噪聲的psd的洛倫茲函數而具有隆起140來檢測抗生物標誌物珠在特定磁性傳感器105處的存在。
[0187]
在612處，確定是否存在更多要測試的抗生物標誌物珠(例如，參考圖23，是否存在抗生物標誌物b珠或抗生物標誌物c珠)。如果這樣，那麼過程600重複步驟608及610。一旦不存在更多要添加的抗生物標誌物珠，監測系統100就具有傳感器陣列110的哪些磁性傳感器105感測已併入有抗生物標誌物珠的系鏈101及在多個類型的抗生物標誌物珠的情形中哪些磁性傳感器105感測哪些類型的抗生物標誌物珠的映圖。
[0188]
在614處，將含有與流體室115中的抗生物標誌物珠對應的生物標誌物的溶液添加
到流體室115。如上文所闡釋，一些實施例的一個益處是可一次測試多個生物標誌物。因此，如果流體室115含有一個以上類型的抗生物標誌物珠，那麼所添加溶液可包含多個類型的生物標誌物，所有所述生物標誌物可同時添加到流體室115。(當然，應了解，如果存在多個待測試的生物標誌物，那麼可單獨添加所述生物標誌物。)
[0189]
在616處，從感測相應mnp 102的至少那些磁性傳感器105獲得傳感器信號207。在618處，基於在步驟610處收集的傳感器信號207與在步驟616處收集的傳感器信號之間的比較來檢測生物標誌物的結合。舉例來說，如上文在對圖25的論述中所闡釋，可將擬合來自步驟610的傳感器信號207的總體噪聲psd的洛倫茲函數的隅角頻率與擬合來自步驟616的傳感器信號207的總體噪聲psd的洛倫茲函數的隅角頻率進行比較以查看隅角頻率是否已改變。具體來說且如上文所闡釋，可依據由於mnp 102的有效直徑增加而發生的隅角頻率的減小(例如，生物聚合物101的有效質量增加，且mnp 102的運動頻率減小)檢測生物標誌物的併入。
[0190]
應了解，以示範性次序展示過程600的步驟，但可以不同次序執行一些步驟。作為僅僅一個實例，步驟602、604及606的次序可以是不同的(例如，可在步驟602之前或在步驟606之後執行步驟604；可在步驟602之前及/或在步驟604之前執行步驟606；等等)。
[0191]
在前述說明中且在附圖中，已為了提供對所公開實施例的透徹理解而陳述特定術語。在一些例子中，術語或圖式可暗示實踐本發明不需要的特定細節。
[0192]
為了避免不必要地使本發明模糊，以框圖形式展示及/或未詳細論述或在一些情形中根本不論述熟知組件。
[0193]
除非本文中以其它方式具體定義，否則所有術語應被賦予其最寬廣可能解釋，包含說明書及圖式所暗示的含義以及所屬領域的技術人員所理解及/或詞典、論文等中所定義的含義。如本文中所明確陳述，一些術語可能與其普通或通常含義不符。
[0194]
如本文中所使用，單數形式「(a)」、「(an)」及「所述(the)不排除複數指示物，除非另有規定。措辭「或」應被解釋為包含性的，除非另有規定。因此，短語「a或b」應被解釋為意指所有以下各項：「a及b兩者」、「a而非b」及「b而非a」。「及/或」在本文中的任何使用不意指措辭「或」單獨意味排他性。
[0195]
如本文中所使用，形式為「a、b及c中的至少一者」、「a、b或c中的至少一者」、「a、b或c中的一或多者」及「a、b及c中的一或多者」的短語是可互換的，且每一者囊括所有以下含義：「僅a」、「僅b」、「僅c」、「a及b而非c」、「a及c而非b」、「b及c而非a」及「所有a、b及c」。
[0196]
就在本文中使用術語「包含」、「具有(having、has、with)」及其變化形式來說，此類術語旨在以與術語「包括」類似的方式是包含性的，即，意指「包含但不限於」。術語「示範性」及「實施例」用於表達實例，而非偏好或要求。術語「耦合」在本文中用於表達直接連接/附接以及透過一或多個介入元件或結構的連接/附接。術語「在......之上」、「在......之下」、「在......之間」及「在......上」在本文中用於指代一個特徵相對於其它特徵的相對位置。舉例來說，安置於另一特徵「之上」或「之下」的一個特徵可與另一特徵直接接觸或可具有介入材料。此外，安置於兩個特徵「之間」的一個特徵可與所述兩個特徵直接接觸或可具有一或多個介入特徵或材料。相比之下，在第二特徵「上」的第一特徵與那一第二特徵接觸。
[0197]
術語「基本上」用於描述很大程度上或幾乎如所陳述的結構、配置、尺寸等，但由於製造容差等等類，可實際上導致其中結構、配置、尺寸等並非始終或未必精確地如所陳述的
情形。舉例來說，將兩個長度描述為「基本上相等」意指所述兩個長度出於所有實際目的而是相同的，但其在充分小尺度下可能並非(且不需要)是精確地相等的。作為另一實例，「基本上垂直」的結構出於所有實際目的而將被視為是垂直的，即使其相對於水平線並非處於精確地90度。
[0198]
圖式未必是按比例的，且特徵的尺寸、形狀及大小可基本上不同於在圖式中描繪所述特徵的方式。
[0199]
儘管已公開特定實施例，但將明了，可在不脫離本發明的較寬廣精神及範圍的情況下對本發明做出各種修改及改變。舉例來說，實施例中的任一者的特徵或方面可至少在實際的情況下與實施例中的任何其它者組合或代替對應特徵或方面而應用。因此，應將說明書及圖式視為具有說明性意義而非限制性意義。