自1988年德国科学家Peter Grunberg与法国科学家Albert Fert于Fe/Cr/Fe多层薄膜结构中发现巨磁阻(GMR)效应以来,不到十年的时间就迅速开发出了一系列具有深远影响的磁电子学新器件。尤其是GMR技术在计算机外存储器中的应用,已使计算机外存储器的容量获得突破性的增长,基于GMR的原理,其与磁性颗粒相结合可用于生物检测,进一步拓宽了 GMR的应用。与IC(Integrate Circuit)工艺兼容、灵敏度高、干扰小、易于集成化与检测等优点使GMR生物传感器从众多生物传感器中脱颖而出,以期能在生物分子诊断、药物研究、食品与环境检测等领域发挥巨大作用。本论文探讨了 GMR传感器的制备与表面修饰方法,运用自行搭建的GMR检测系统,研究了不同磁性纳米颗粒在此传感系统上的表现,选出性能最优的颗粒,用于检测蛋白与汞离子。本论文首先介绍了 GMR传感器与芯片的制备方法与过程。利用Shamrock金属膜溅射机在硅片表面沉积GMR多层薄膜结构Ta(50 A)/NiFe(20 A)/CoFe(10 A)/Cu(33 A)/CoFe(25 A)/IrMn(80 A)/Ta(25 A),然后用光刻技术成功的制备了GMR芯片,每个GMR芯片含有64个传感器,GMR传感器的尺寸约为100 μm× 100μm。在GMR传感器表面镀上25 nm氧化铝与20 nm二氧化硅可以防止漏电流,200℃下退火处理可使被钉扎层的磁矩方向沿GMR条形的短轴方向,使零场下自由层与被钉扎层磁矩方向垂直,从而使GMR传感器有线性工作区域。GMR传感器的电阻值为5.55 KΩ,MR%约为2.6%。生物传感器能检测何种被分析物是由被固定在传感器表面的识别物决定的,故要先对GMR传感器进行表面修饰。在这里,通过3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)与戊二醛两步改性使活性醛基固定到传感器表面,从而固定带有氨基的生物分子。实验证明APTES改性的最佳条件为0.5%浓度与15分钟反应时间,而经过APTES与戊二醛改性的表面可固定氨基标记的单链DNA以及白细胞介素6(IL-6)抗体。APTES与戊二醛改性表面对IL-6捕捉抗体的固定能力可与SurModics公司的功能化玻片相媲美。固定在其表面的IL-6捕捉抗体可与IL-6抗原结合,且荧光结果显示IL-6三明治法检测成功,固定在其表面的单链DNA也能与匹配DNA杂交。另外,在GMR传感器表面完成三明治结合与DNA杂交后,Streptavidin标记的磁性纳米颗粒可被固定到传感器表面。运用磁控溅射结合气相沉积法制备了 15 nm的FeCo和20 nm的Fe磁性纳米颗粒,两种纳米颗粒都主要呈立方体结构,都是体心立方晶格,其中FeCo纳米颗粒中Fe与Co的原子比约为70/30。XPS表征结果表明APTES与戊二醛(Glu)成功的改性了 FeCo与Fe磁性纳米颗粒,Streptavidin、PAPP-A抗体与Nectin-4抗体三种蛋白可固定于改性FeCo上,并定量研究了三种蛋白在颗粒表面的固定量,固定后的三种蛋白都保持着生物活性。这种蛋白-FeCo复合物有望应用于蛋白与细胞的分离以及生物检测领域。同样定量研究了氨基修饰的单链DNA在改性Fe颗粒上的固定量,十二烷基硫酸钠(SDS)表面活性剂的存在对于DNA的固定有着重要的影响,可使DNA在Fe上的饱和固定量从31 mol DNA/mol Fe增加到47 mol DNA/mol Fe,固定在颗粒表面上的DNA分子仍保持着其生物活性,可与相匹配的DNA链杂交。便利、稳定的芯片连接与测量系统对整个GMR生物传感器至关重要。设计了探针式平台,能便利的连接GMR芯片与电路测量系统,电路部分采用基于惠斯通桥的交变检测法,经实验优化,交变磁场的频率与强度分别为50 Hz与30 Oe。比较了 5种不同磁性纳米颗粒(10、20、30、50与100 nm)的磁性能,其都表现为超顺磁性,并探讨了它们在不同频率的交变磁场中的磁化现象,结果显示,在低频率段(10-190 Hz),交变磁场的频率对5种纳米颗粒的影响都不大,而在高频率段(2-20 kHz),20与30nm颗粒的磁化明显跟不上交变磁场的变化,有明显的滞后。比较了5种磁性纳米颗粒对GMR生物传感器的影响,结果显示,MiltenyiBiotech公司生产的50 nm磁性纳米颗粒产生的信号最高。对于GMR生物传感器,选择的磁性纳米颗粒其磁矩越大、生物活性越高,越有利于传感器的检测。以R&D System公司提供的PAPP-A、PCSK9与ST2三种抗原蛋白为目标检测对象,实现了 GMR生物传感器结合三明治法对三种抗原的同时与实时检测,三种抗原检测限分别为1.0ng/mL、433.4pg/mL与40pg/mL,且三种抗原的可检测范围都可达5个数量级。鉴于汞离子对环境和人类健康的危害,简单及快速的汞离子检测技术对生命、环境、医学以及工农业生产等都具有重要的意义。在本论文中,以GMR生物传感器系统与T-Hg2+-T配合物结构为基础,选取特定的单链DNA序列,首次探讨了GMR技术在汞离子检测中的应用。结果显示,捕捉DNA与Biotin-DNA的最佳浓度分别为20 nmol/mL与50 nmol/mL,在此基础上,荧光法对Hg2+的检测限为5 μM。GMR生物传感器的检测限为10.0 nM,已满足饮用水的检测标准(CHg2+<10.0 nM,USEPA),且测量范围可达4个数量级,5种金属离子(Fe2+、Cu2+、Cd2+、Co2+与Pb2+)对本实验干扰不大。