磁化學傳感器的制作方法

文檔序號：7224758閱讀：169來源：國知局

專利名稱：磁化學傳感器的制作方法
磁化學傳感器
本發明涉及用于檢測樣品中的一種或多種分析物的裝置的領域，特別涉及用于檢測水溶液中的生物分子的裝置的領域。
本發明涉及檢測液體中的分析物，特別涉及檢測水溶液中的生物分子。
US 5,821,129披露了一種磁化學傳感器，在此通過引用將其并入本申請。該裝置布局使得傳感器和傳感器讀出部分在空間上是分離的，使得能夠進行遙感。但是，當采用US 5,821,129中的傳感器進行持續監測人體內的生理參數時，其存在缺陷。例如，通過向疊加的傳感器結構施加磁場以及從包括巻曲結構的檢測單元中測定電壓來完成傳感器讀出。這種方法妨礙了所述裝置的小型化。此外，所述裝置需要由至少三層組成的傳感器單元，其中兩層是磁性的，以及一層是應答于特定的刺激。本發明認為遙感對于長期植入是不合乎需要的，其需要植入完整的裝置。
因此，本發明的一個目的是提供容許更快速的檢測以及對于大多數應用可以被小型化的磁化學傳感器。
通過本發明的權利要求1的傳感器實現了這個目的。
因此，本發明提供了磁化學傳感器，特別是用于確定液體樣品中至少一種分析物的存在、特性、數量和/或濃度的磁化學傳感器，其包括:
(a) 第一材料，其中第一材料是適用于根據其與所述至少一種分析物的相互作用而改變其物理性能的彈性材料；
(b) 第二材料，其包埋于第一材料內，其中第二材料是磁性材料。對于大多數應用而言，本發明的傳感器顯示出以下優點中的至少一個
優點
所述彈性材料中的高含水量使得生物污垢(biofouling)受到抑
制；
所述彈性材料中的高含水量引起高生物兼容性；
所述彈性材料的小厚度弓I起快速應答；
高準確性；
小的形狀系數；
廉價的系統設計。
在本發明中，術語"彈性"特別地表示、包括和/或描述了材料的性能，其可以是至少部分彈性變形的，即變形是至少部分(或完全)可逆的(恢復其原來的形狀、大小、尺度)。在本發明中，"彈性"特別地表示、包括和/或描述完全可逆的形狀恢復過程。
在本發明中，術語"磁性"特別地表示、包括和/或描述材料的性能，其表現出凈永久磁偶極矩。
在本發明的優選的實施方式中，第二材料包括超順磁性材料。在本發明中，術語"超順磁性"特別地表示、包括和/或描述了該材料在存在磁場的情況下只表現出了凈磁偶極矩。
已經顯示出這對于本發明內的多種應用都是有利的，特別是當磁場是由激發金屬線遞送的時候(例如參照圖3)。當關閉磁場時，顆粒的凈磁偶極矩再次變為零，傳感器沒有檢測到磁場。這種現象容許調節信號以及按特殊的頻率進行讀出，通過這種方式可以很大程度上抑制噪音。
在本發明的優選的實施方式中，第二材料包括永久磁化材料。
本發明內的多種應用已經顯示出，通過這樣做，由于第二材料的高磁力矩可以提高信噪比。此外，在本發明的多種應用中，都可以降低電力以及便利讀出電子設備。
在本發明優選的實施方式中，當與至少一種分析物相互作用時，第一材料可以改變其大小和/或厚度。
在本發明的一個實施方式中，提供了小顆粒形式的第二材料，所述小顆粒分散于第一材料內，并且不能擴散或遷移出第一材料。
在本發明的一個實施方式中，提供了凝膠形式的第一材料。
在本發明的進一步的實施方式中，有著變化的方向，其中主要是第一材料應答于至少一種分析物的出現而發生的方向變化。優選地，第一^"料的變化包括收縮和/或膨脹。
在本發明的進一步的實施方式中，所述裝置包括具有傳感器方向的傳感器，而變化方向基本上垂直于傳感器方向。
術語"傳感器方向"特別地表示和/或包括其中當傳感器本身在一個或兩個維度上的延伸程度要大于其它兩個(或一個)維度，使得傳感器或者有些扁平狀或者形成針狀時，"傳感器方向"是其中傳感器具有最大延伸的方向。
在本發明的一個實施方式中，第二材料的飽和磁化強度為^).1 x 105 A/m且S2x 106A/m。
在本發明的一個實施方式中，第二材料的飽和磁化強度為^.5 x 105 A/m且:S8x 105A/m。
在本發明的一個實施方式中，第二材料的飽和磁化強度為^ x 105 A/m 且S6x 105A/m。
在本發明的一個實施方式中，第二材料的飽和磁化強度為^4x 105A/m 且S5.5x 105A/m。
在本發明的一個實施方式中，第二材料的Langevin磁化率(在施用零磁場時的磁化率)為2 10—5且《105。
在本發明的一個實施方式中，第二材料的Langevin磁化率(在施用零磁場時的磁化率)為2 10"且《104。
在本發明的一個實施方式中，第二材料的Langevin磁化率(在施用零磁場時的磁化率)為2 1(^且d03。
在本發明的一個實施方式中，第二材料在所述第一材料內的濃度(表示為占總體積的百分比)為^).1%且。0%。
在本發明的一個實施方式中，第二材料在所述第一材料內的濃度(表示為占總體積的百分比)為^1%且《15%。
在本發明的一個實施方式中，第二材料在所述第一材料內的濃度(表示為占總體積的百分比)為^5°/。且《10%。
在本發明的一個實施方式中，第二材料的磁化強度(A/m)和濃度(占總體積的百分比)的乘積為2103且《4*107。
在本發明的一個實施方式中，第二材料的磁化強度(A/m)和濃度(占總體積的百分比)的乘積為2104且《8*106。
在本發明的一個實施方式中，第二材料的磁化強度(A/m)和濃度(占總體積的百分比)的乘積為^5*104且《7*105。
在本發明的一個實施方式中，第二材料的平均粒度為H nm且^40 nm。
在本發明的一個實施方式中，第二材料的平均粒度為^ nm且。0 nm。
在本發明的一個實施方式中，第二材料的多分散性為^1%且^40%。在本發明的一個實施方式中，第二材料的多分散性為^0%且^25%。在本發明的一個實施方式中，第二材料的磁各向異性常數為2P10Sj/m3 且《1*105 J/m3。
在本發明的一個實施方式中，第二材料的磁各向異性常數為Sn()Sj/m3 且^5*104 J/m3。
在本發明的一個實施方式中，第二材料的磁各向異性常數為^8M(^J/m3 且化2*104 J/m3。
在本發明的一個實施方式中，提供了層形式的第一材料。
術語"層"表示和減特別地包括第一材料在一個維度上的厚度要比在其他所有維度上的厚度20%且《0% 。
對于本發明內的一些應用而言，為了獲得最佳的裝置性能，層的厚度被限定于一個范圍內一方面如果層太薄，會造成信號低和敏感性不足；但是如果層太厚，長彌散時間會造成慢應答。
在本發明的一個實施方式中，提供了厚度20.5 pm且^40 Mm的層形式的第一材料。
在本發明的一個實施方式中，提供了厚度^ ^im且SO pm的層形式的第一材料。
在本發明的一個實施方式中，提供了厚度klO 且^20 Mm的層形式的第一材料。
在本發明的一個實施方式中，第一材料包括水凝膠材料。
在本發明中，術語"水凝膠材料"表示和/或特別地包括該材料包括在水中形成了水膨脹網絡的聚合物。
術語"水凝膠材料"在本發明中還特別地表示至少一部分水凝膠材料包括在水中形成水膨脹網絡和/或水溶性的聚合物鏈的網絡的聚合物。優選地，膨脹狀態的水凝膠材料包括^50%水和/或溶劑，更優選270%，以及最優選^90%，其中優選的溶劑包括有機溶劑，優選是有機極性溶劑，以及最優選是鏈垸醇如乙醇、甲醇和/或(異)丙醇。
在本發明中，術語"水凝膠材料"表示和/或特別地包括水凝膠是應答性的，這表示在特殊的參數發生改變之后顯示出了形狀和總體積的變化。這
些參數可以是物理性質(溫度、壓力)或化學性質(離子濃度、pH、分析物濃度)或生化性質(酶活性)。
在本發明的一個實施方式中，所述水凝膠材料包括選自由聚(甲基)丙烯酸材料、硅凝膠材料、取代的乙烯材料或其混合物組成的組中的材料。
在本發明的一個實施方式中，所述水凝膠材料包括被取代的乙烯材料，
優選的是乙烯己內酰胺和/或被取代的乙烯己內酰胺。
在本發明的一個實施方式中，所述水凝膠材料包括由至少一種(甲基) 丙烯酸單體和至少一種多功能的(甲基)丙烯酸單體的聚合所制成的聚(甲基)
丙烯酸材料。
在本發明的實施方式中，所述(甲基)丙烯酸單體選自包括(甲基)丙烯酰
胺、丙烯酸酯、羥乙基(甲基)丙烯酸酯、乙氧基乙氧基乙基(甲基)丙烯酸酯或其混合物的組。
在本發明的一個實施方式中，所述多功能的(甲基)丙烯酸單體是二(甲基)丙烯酰基和域三(甲基)丙烯酰基和減四(甲基)丙烯酰基和域五(甲基)丙烯酰基單體。
在本發明的一個實施方式中，所述多功能的(甲基)丙烯酸單體選自包括二(甲基)丙烯酰胺、四乙二醇二(甲基)丙烯酸酯、三乙二醇二(甲基)丙烯酸酯、二乙二醇二(甲基)丙烯酸酯、三丙二醇二(甲基)丙烯酸酯、季戊四醇三 (甲基)丙烯酸酯、多乙二醇二(甲基)丙烯酸酯、乙氧基化的二聯酚-A-二(甲基)丙烯酸酯、己二醇二(甲基)丙烯酸酯或其混合物的組。
在本發明的一個實施方式中，所述水凝膠材料包括陰離子性聚(甲基) 丙烯酸材料，優選選自(甲基)丙烯酸、芳基磺酸(特別是苯乙烯磺酸)、衣康酸、巴豆酸、磺酰胺或其混合物與至少一種選自中性單體的單體(優選地選自乙酸乙烯酯、羥乙基(甲基)丙烯酸酯、(甲基兩烯酰胺、乙氧基乙氧基乙
基(甲基)丙烯酸酯或其混合物)共聚合；和域陽離子性聚(甲基)丙烯酸材料，優選選自乙烯吡啶、乙烯咪唑、氨乙基(甲基)丙烯酸酯或其混合物與至少一種選自中性單體的單體(優選地選自乙酸乙烯酯、羥乙基(甲基)丙烯酸酯、 (甲基)丙烯酰胺、乙氧基乙氧基乙基(甲基)丙烯酸酯或其混合物講聚合；或者所述陰離子性聚(甲基)丙烯酸材料和所述陽離子性聚(甲基)丙烯酸材料的混合物。這些共聚物可以作為pH的函數而改變其形狀，以及可以應答于
所施加的電場和/或電流。因此，這些材料可以被用于本發明內的多種應用。在本發明的一個實施方式中，第一材料包括水凝膠材料，所述水疑膠
材料包括熱敏聚合物。
在本發明的一個實施方式中，第一材料包括水凝膠材料，所述水》疑膠
材料包括選自包括聚-N-異丙基丙烯酰胺(poly-N-isopropylamide， PNIPAAm) 的組的單體及其與選自包括聚氧乙烯、三羥甲基丙垸二硬脂酸酯、聚-e-己內酯或其混合物的組的單體的共聚物。
在本發明的一個實施方式中，所述水凝膠材料是基于熱應答單體(戶萬述單體選自N-異丙基丙烯酰胺、二乙基丙烯酰胺、羧異丙基丙烯酰胺、l圣甲基丙甲基丙烯酰胺、丙烯酰烷基哌嗪)及其與選自親水性單體組中的單體的共聚物(所述親水性單體組包括羥乙基(甲基)丙烯酸酯、(甲基)丙烯酸、丙烯酰胺、聚乙二醇(甲基)丙烯酸酯或其混合物)、和/或其與選自疏水性單體組中的單體的共聚物(所述疏水性單體包括(異)丁基(甲基)丙烯酸酯、甲基甲基丙烯酸酯、異冰片基(甲基)丙烯酸酯或其混合物)。已知這些共聚物是熱應答性的，因此可以被用于本發明內的多種應用。
在本發明的一個實施方式中，第一材料包括20°C時的膨脹比(和包埋于第一材料內的第二材料)為^1%且《500%的水凝膠材料。
在本發明中，膨脹比特別地包括、表示或指的是根據以下過程得出的測量值
在溫度為50。C時，將第一和第二材料在干燥箱中干燥，以形成膜。將膜浸泡在過量的去離子水中，以去除殘余的未反應的化合物。然后將膨脹的聚合物薄膜切割成直徑為8mm的圓盤形式，并在50。C干燥，直到重量不再變化。將預先稱重的干燥樣品(Wo)浸泡在恒溫水浴的過量的去離子水中，直到達到膨脹平衡。在經濾紙印跡去除了表面的水之后，測定濕樣品的重量(WO。用下面的公式計算出平衡膨脹比膨脹比=(W「Wq)/W0
在本發明的一個實施方式中，第一材料包括在20°C的膨脹比(和包埋于第一材料內的第二材料)為^3%且《200%的水凝膠材料。
在本發明的一個實施方式中，第一材料包括在20°C的膨脹比(和包埋于第一材料內的第二材料)為^5%且《100%的水凝膠材料。
在本發明的一個實施方式中，第一材料包括在20°C的膨脹比(和包埋于第一材料內的第二材料)為^1%且。0%的水凝膠材料。
在本發明的一個實施方式中，第一材料包括在20°C的膨脹比(和包埋于第一材料內的第二材料)為^1%且^25%的水凝膠材料。
在本發明的一個實施方式中，第一材料包括在20°C的膨脹比(和包埋于第一材料內的第二材料)為^1°/。且^20%的水凝膠材料。
在本發明的一個實施方式中，第一材料包括待檢測的分析物的受體。
在本發明中，術語"受體"表示和/或特別地包括在第一材料中存在著一些能夠通過例如靜水力學相互作用、氫鍵、化學接納、分子識別等與所選的分析物相互作用的化學部分。
這種受體系統的實例是"調鈣蛋白"，其結合鈣以及一類抗精神病分子 (指的是酚噻嗪類)(J.D. Ehrick (Nature Materials 298-302頁，第4巻，2005年 4月))，在此通過引用將其全部內容并入本申請。
在本發明的一個實施方式中，第一材料是聚合材料。
在本發明的一個實施方式中，第一材料是轉化率為>50%且《100%的聚合材料(和包埋于第一材料內的第二材料)。
在本發明中，轉化率特別地包括、表示或指的是依據下面的方法得到的測量值
在聚合了第一材料以及包埋了第二材料之后，將定量的抑制劑引入到第一材料的樣品內，并將樣品在冰浴中快速淬火。為了去除剩余的單體和啟動劑，用去離子水洗滌樣品數次。之后，將樣品在70。C的真空干燥箱中干燥，直到重量不再發生任何變化。如下計算出轉化率-轉化率=(P-F)/Mq * 100 %
其中P是從樣品中獲得的干燥的共聚體組合物網絡的重量，F是摻入第一材料內的第二材料的理論重量，Mo是進料中的單體的重量。
在本發明的一個實施方式中，第一材料是轉化率為^70%且《95%的聚
合材料(和包埋于第一材料內的第二材料)。
術語"基本上"特別地表示和/或包括重量百分比含量^90%，在一個實施
方式中為295%，在一個實施方式中為299%。
在本發明的一個實施方式中，第一材料的交聯密度為20.002且《1，優
選地為20.05且S1 。
在本發明中，術語"交聯密度"表示或特別地包括下面的定義交聯密
度^在此被定義為^=_^_，其中X是多功能單體的摩爾分數，L是形
丄+ Jf
成線性鏈(=非多功能的傳體的摩爾分數。在線性聚合物中，^=0，在完全交聯系統中，^=1。
在本發明的一個實施方式中，第二材料包括涂層。
在本發明的一個實施方式中，第二材料包括涂層，所述涂層被用于增加第二材料附著于水凝膠網絡的能力，使得顆粒被固定于網絡而不能擴散出網絡。
在本發明的一個實施方式中，第二材料包括厚度^0.1nm且^10nm的涂層，在一個實施方式中厚度為^且"nm。
在本發明的一個實施方式中，第二材料包括涂層，所述涂層基本上是由選自無機氧化物、聚合的有機材料、非聚合的有機材料及其混合物的材料組成的。
在本發明的一個實施方式中，第二材料和/或第二材料的核心基本上是由選自包括表現出磁性的鐵合金、氧化鐵、鎳合金、氧化鎳、氧化鈷、鈷合金、稀土氧化物、稀土合金及其混合物的材料制成的。
在本發明的一個實施方式中，第二材料和/或第二材料的核心基本上是由Fe304制成的。
在本發明的實施方式中，傳感器包括至少一個電流輸送工具，所述電流輸送工具被用于提供電流，以引起第二材料中磁偶極子方向的變化。
在本發明的一個實施方式中，傳感器包括至少一個測量工具，所述工具能夠依據與所述至少一種分析物的相互作用測量第一材料的物理性質的變化，特別是利用在第一材料的物理性質變化之后的第二材料在第一材料內的位置的變化。
優選地，測量工具選自包括電磁檢測儀、AMR、 TMR、 GMR、 Hall 傳感器、聽覺和/或視覺檢測儀的組。
在本發明的一個實施方式中，測量工具和第一材料之間的距離為2100 nm且^1 jxm，優選為^200 nm且^500 nm。
在本發明的一個實施方式中，測量工具和第一材料之間的距離為aoo
nm且Slpm，優選為^200 nm且《00 nm，以及第一材料的層厚為^1 |nm且 ,優選為^2拜且S3 (im。
但是，在不同的實施方式中，測量工具和第一材料之間的距離為21 ^im 且S5 nm，優選為^2iim且^3pm。
在本發明的一個實施方式中，測量工具和第一材料之間的距離為21 pm 且S5 nm，優選為^2pm且^3pi1，以及第一材料的層厚為^10 pm且^25 |im，優選為^15pm且^20 pm。
本發明人意外發現，在本發明的多種應用中，特別是當GMR元件被用作測量工具時，測量工具和第一材料之間的距離以及第一材料本身的層厚都可以有兩個優選的區域。
不受任何理論的束縛，本發明人相信出現這兩個區域是因為單個珠信號(nV)對距離GMR元件的距離的轉折點，下面的兩個實施例II和III都可以解釋這一點。
但是，應當強調的是，盡管在本發明內的多個應用中都發現了這個轉折點，但是并不是所有的應用都必須找到這種行為。
在本發明的一個實施方式中，傳感器包括至少一個測量工具和至少一個GMR元件，其被用于測定第二材料的定向偶極子的雜散磁場的面內分量引起的GMR元件的電阻的變化。
適用于本發明的GMR元件是例如在EP 1459084以及在本申請所引用的文獻中所披露的元件，在此通過弓I用將其全部內容并入本申請。
在本發明的進一步的實施方式中，第一材料至少是被經無粘性材料涂敷的孔所部分包繞，所述無粘性材料的表面張力為530 mN/m，優選為525 mN/m。
在本發明的進一步的實施方式中，第一材料被無粘性材料包繞，所述無粘性材料的表面張力為S30mN/m，優選為-5 mN/m，其所有方向基本上都垂直于變化方向。
在本發明的進一步的實施方式中，無粘性材料是含氟的材料，優選為氟化的單層材料，其優選地是用等離子處理例如CF4等離子處理或經氟硅烷例如全氟烷基氯硅垸的蒸汽淀積所制成的。
在迸一步的實施方式中，裝置包括鄰近第一材料的基底和/或基體材
料，其中裝置包括第一材料和基底和/或基體材料之間的至少一個增粘層。在本發明的一個優選的實施方式中，所述增粘層是單層的。優選地，至少一個增粘層選自含硅垸層、含硫醇層、含胺層或其混合物。
術語"含硅烷層"特別地表示和/或包括包含以下形式的材料的層
其中R,選自包括丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、烯丙基、乙烯基、乙酰基、胺、環氧基或巰基的組。
R2選自烯烴基、亞芳基、單烷氧基或多烷氧基、單烷基胺或多垸基胺、單酰胺或多酰胺、硫醚、單或多二硫化物。
R3和R4獨立地選自卣素、R6-R7(其中R6選自包括丙烯酸酯、甲基丙烯
酸酯、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、烯丙基、乙烯基、乙酰基、胺、環氧基
或巰基的組，以及R7選自烷基、芳基、單烷氧基或多垸氧基、單垸基胺或
多烷基胺、單酰胺或多酰胺、硫醚、單或多二硫化物的組)、O-Rg(其中R8 選自氫、垸基、長鏈烷基、芳基、雜芳基、鹵素)。
Rs表示基團0-R9，其中R9選自氫、烷基、長鏈烷基、芳基、鹵素，和/或Rs是可水解的部分。
通用基團定義在整個說明書和權利要求書中都已經使用了通用基團
例如烷基、烷氧基、芳基。除了有特別的說明，下面是可以被用作本文中
披露的化合物中可找到的通用基團的優選基團烷基直鏈和支鏈的Cl-C8烷基；
亞烷基選自亞甲基、l，l-亞乙基、1,2-亞乙基、l，l-亞丙基、1，2-亞丙基、1，3-亞丙基、2，2-亞丙基、丁-2-醇-l，4-二基、丙-2-醇-l，3-二基、1,4-亞丁基、環己烷-l,l-二基、環己烷-l，2-二基、環己烷-l，3-二基、環己烷-1，4-二基、環戊烷-l，l-二基、環戊垸-l,2-二基、和環戊垸-l，3-二基；長鏈烷基直鏈和支鏈的C5-C20烷基鏈烯基C2-C6鏈烯基環烷基C3-C8環垸基
垸氧基Cl-C6烷氧基
長鏈垸氧基直鏈和支鏈的C5-C20烷氧基芳基選自分子量小于300的同芳香(homoaromatic)化合物亞芳基選自1,2-亞苯基、1,3-亞苯基、1,4-亞苯基、1，2-亞萘基 (1，2-naphtalenylene)、 1,3-亞萘基、1，4-亞萘基、2，3-亞萘基、l-羥基-2,3-亞苯基、l-羥基-2，4-亞苯基、l-羥基-2,5-亞苯基、和l-羥基-2，6-亞苯基
雜芳基選自吡啶基、嘧啶基、吡嗪基、三唑基、噠嗪基、1,3,5-三嗪基、喹啉基、異喹啉基、喹噁啉基、咪唑基、吡唑基、苯并咪唑基、噻唑基、噁唑垸基、吡咯基、咔唑基、吲哚基、和異吲哚基，其中雜芳香基可以經所選雜芳基環上的任一原子與所述化合物相連。
胺基團N(R)2,其中每個R都獨立地選自氫、Cl-C6烷基、Cl-C6 垸基-C6H5、和苯基；其中當兩個R都是C1-C6垸基時，兩個R可以一起形成-NC3到-NC5的雜環，任何剩余的烷基鏈形成了雜環上的烷基取代基。鹵素選自F、 Cl、 Br和I。
聚醚選自包括"(0-CH2-CH(R))n-OH和《0-CH2-CH(R))n-H的組，其中R獨立地選自氫、烷基、芳香基、鹵素，以及n是從l到250。
除非有特別的說明，下面是對可以用作本文所披露的化合物中可找到的基團的更優選的基團限定
垸基直鏈和支鏈的C1-C6垸基
長鏈烷基直鏈和支鏈的C5-C10垸基，優選的是直鏈的C6-C8垸基鏈烯基C3-C6鏈烯基環烷基C6-C8環垸基垸氧基Cl-C4垸氧基
長鏈垸氧基直鏈和支鏈的C5-C10垸氧基，優選的是直鏈的C6-C8 烷氧基
芳基選自苯基、聯苯、萘基、蒽基和菲基
雜芳基選自吡啶基、嘧啶基、喹啉基、吡唑基、三唑基、異喹啉基、咪唑基、和噁唑烷基，其中雜芳香基可以經所選雜芳基環上的任一原子與
所述化合物相連。雜亞芳基選自吡啶2，3-二基、吡啶-2,4-二基、吡啶-2,6-二基、吡啶-3，5-二基、喹啉-2，3-二基、喹啉-2,4-二基、異喹啉-l,3-二基、異喹啉-l，4-二基、批唑-3，5-二基、和咪唑-2,4-二基。
胺基團N(R)2，其中每個R都獨立地選自氫、Cl-C6烷基和芐基。
鹵素選自F和C1。
聚醚選自包括"(0-CH2-CH(R))n-OH和-(0-CH2-CH(R))n-H的組，其中R獨立地選自氫、甲基和鹵素的組，以及n是從5到50，優選地是從IO 到25。
對于多種應用而言，已經顯示出這種含硅烷層有助于連接第一材料和基底和/或基體材料，且基本上不會影響傳感器的性能。
術語"含巰醇層"特別地表示和/或包括包含R-SH形式材料的層，其中R選自垸基、長鏈烷基、鏈烯基、環垸基。
對于多種應用而言，已經顯示出這種含巰醇層有助于連接第一材料和基底和/或基體材料，且基本上不會影響傳感器的性能。如果使用含巰醇層，基體材料表面選自結合硫醇的材料，特別地，基體材料表面是Au表面。
術語"含胺層"特別地表示和/或包括包含RrNH-R2形式的材料的層，其中Ri選自烷基、長鏈垸基、鏈烯基、環垸基、聚醚，以及R2選自氫、烷基、長鏈烷基、鏈烯基、環烷基、聚醚。
對于多種應用而言，己經顯示出這種含胺層有助于連接第一材料和基底和/或基體材料，且基本上不會影響傳感器的性能。如果使用含胺層，基體材料表面優選地裝配有結合胺的基團，優選地是環氧基和/或反應性酯、鹵化物和/或胺。
本發明還涉及利用上面所述的傳感器確定樣品中至少一種分析物的存在、特性、數量和/或濃度的方法，該方法包括步驟
a) 容許第一材料和至少一種分析物接觸，以引起第一材料的物理性能發生變化
b) 施加電流，以引起第二材料的磁偶極子方向發生變化
c)測量第二材料的定向偶極子的雜散磁場的面內分量所引起的GMR 元件的電阻變化
本發明的傳感器和/或方法可以應用于多種系統和/或應用，包括下面的一種或多種系統和/或應用
* 用于分子診斷的生物傳感器
* 快速靈敏地檢測復雜生物學混合物和體液(例如血液、尿液或唾液)中的蛋白質和核酸
* 用于化學、藥學或分子生物學的高通量篩選裝置
* 測試裝置，例如用于例如犯罪學中的DNA或蛋白質測定、現場測定(醫院內測定)、中心實驗室或科研中的診斷性檢測
參用于心臟病學、感染性疾病和腫瘤學、食品、和環境診斷中的 DNA或蛋白診斷質的工具
* 用于組合化學的工具拳分析裝置
上面提及的部件、以及權利要求的部件以及在所述實施方式中的用于本發明的部件在其大小、形狀、材料選擇和技術思想方面都沒有特別的例外，這樣可以不受限地應用相關領域已知的選擇標準。
在權利要求書、附圖和下面的

和實施例中都闡述了本發明目的的附加的細節、特征、特性和優點，實施例以示例的方式顯示了本發明的傳感器的優選的實施方式。
圖1顯示了本發明的第一個實施方式的傳感器的高度示意性的橫截面圖。
圖2顯示了本發明的第二個實施方式的傳感器的示意性的橫截面圖。圖3顯示了本發明的第三個實施方式的傳感器的示意性的橫截面圖。圖4顯示了本發明的實施例II的實施方式中的單個珠信號(nV)對GMR
元件與珠的距離Oim)的圖表；和
圖5顯示了本發明的實施例III的實施方式中的單個珠信號(nV)對
GMR元件與珠的距離Oim)的圖表。
圖1顯示了本發明的第一個實施方式的傳感器1的高度示意性的橫截
面圖。所述傳感器包括第一材料10以及包埋于其中的第二材料的顆粒20，
應用顆粒20的方式使得它們在第一材料內不會遷移。顆粒20在本實施方式中是隨機排列的，但是在本發明的進一步的實施方式中(附圖中沒有顯示)，提供了有結構模式的顆粒20。
在基體材料30上提供了第一材^l"，所述基體材料30作用為保護電線 40和GMR傳感器50。基體材料30本身被放置于基底60上。
在本發明的一個實施方式中，GMR傳感器50和第一材料IO之間的距離為^100 nm和^1 jim，優選為2200 nm和^500 nm。
所述基體或者具有朝向第一材料的突起的至少一部分基體優選是由 Si02制成的，以提供對第一材料的良好的粘附。基底材料可以是任何合適的材料，優選地是硅。
圖2顯示了本發明的第二個實施方式的傳感器r的高度示意性的橫截面圖。
為了避免重復，不討論圖2中與圖1的實施方式(基本上)相同的部件。圖2的實施方式與圖1的實施方式有所不同的是在基底和第一材料之間提供了含硅垸層35。應當注意的是，為了可視性目的，圖2中的含硅烷層35的尺度被極大地放大，在本發明的大多數實際應用中，含硅垸層35 為單層。
此外，圖2的實施方式包括在非變化方向的方向(在本實施方式中為垂直方向)上提供了無粘性材料70。在此，為了可視性目的，無粘性材料70 的尺度也被極大地放大。無粘性材料基本上保證了第一材料的均勻膨脹和/ 或收縮。
從圖2(結合圖l)可以看出，傳感器方向基本上與變化方向垂直(在本實施方式中為水平方向)。
無粘性材料本身是由側壁80提供的，所述側壁可以是任一合適的材料。在一些應用中，抗性材料例如SU-80已經顯示出了優勢，并因此構成了本發明的優選的實施方式。
圖3顯示了本發明的第三個實施方式的傳感器l"的高度示意性的橫截面圖。為了避免重復，不討論圖3中與圖1和/或圖2的實施方式(基本上) 相同的部件。
圖3的實施方式與圖1的實施方式有所不同的是在一個GMR元件50
之間存在著兩根電線40a、 40b。
應當注意的是，圖3中的尺度和大小都是高度示意性的，可能與本發明的實際應用中的尺度和大小有所不同。
實際上，在本發明的一個優選的實施方式中，GMR元件和/或電線的寬度為^2^im和^10iim，在本發明的進一步的實施方式中，GMR元件和電線之間的間隔為S0.5 和^2 nm。
此外，顯而易見的是，在本實施方式中同樣可以存在(或加入)含硅垸層和無粘性材料(如圖2所示)。
實施例
此外，通過下面的實施例可以更好的了解本發明，這僅僅是示例的方式。
實施例I
在本實施例中，使用了圖l的傳感器。
第一材料是提供了葡萄糖受體的聚丙烯酰胺水凝膠，第二材料是由平均直徑為15nm的Fe304顆粒組成的。第二材料的體積百分比為10%，第一材料的初始厚度為15pm。
如下測定葡萄糖濃度。電流被導向通過電線(其中電流的方向垂直于紙平面)。這引起了第二材料的磁偶極子方向的變化，GMR傳感器可以檢測到所述變化。在GMR元件上所產生的電壓降取決于第一材料和葡萄糖的反應，其中葡萄糖濃度的下降造成了第一材料的擴張，這就引起了 GMR 元件的電阻的增加。當給元件施加恒定電流時，會造成元件上電壓降的增加。
在本實施例中，電壓增加是在每1%體積變化引起電壓增加IO毫伏的范圍之內。實施例II
在本實施例中，使用圖3的傳感器。
GMR傳感器50和第一材料10之間的距離為0.5pm。電線40a、 40b 的厚度為250nm，以及GMR傳感器50的厚度為49nm。
GMR傳感器的寬度為6jnm，電線的寬度為7pm，以及GMR元件和電線的間隔為l|um。
圖4顯示了實施例II的實施方式中的單個珠信號(nV)對GMR元件與珠的距離的曲線圖。可以清楚地看到，轉折點是在5pm附近，且該曲線在 3|im附近經過0V。
因此，有利于本發明的實施方式是層10的最大高度約為5-6pm。
實施例III
在本實施例中也使用了圖3的傳感器。
GMR傳感器50和第一材料10之間的距離為3pm。電線40a、 40b的厚度為250nm，以及傳感器50的厚度為49nm。
GMR傳感器的寬度為3pm，電線的寬度為3pm，以及GMR元件和電線的間隔為l|im。
圖5顯示了實施例III的實施方式中的單個珠信號(nV)對GMR元件與珠的距離的曲線圖。可以清楚地看到，轉折點是在3pm附近，且該曲線在 2.5jim附近經過0V。
但是，因為GMR傳感器50和第一材料IO之間的距離被選定為3inm(即已經在轉折點之"上")，因此對于該實施方式，有利的是層10的最大高度約為15-20fim。
實施例n和m之間的差別是在實施例ii中測定了 "下降支"，而在實施例m中使用了 "上升支"。但是，本領域任何技術人員都容易明白兩個實施例都給出了合理的數據。要依據實際應用的所需參數決定傳感器的實際設定。
本發明人還發現在本發明內的多種應用中，GMR元件和電線的寬度均
可影響"轉折點"。
當測量工具和第一材料之間的距離為21 nm且S5 pm，優選^2 ^irn且S pim時，GMR元件和/或電線的寬度為^1 Mm且S5pm，優選^2 pm且^3 pm 都是特別優選的。
當測量工具和第一材料之間的距離為2100nm且S1 Km、優選2200nm且 S500nm時，特別優選GMR元件和/或電線的寬度23 且^10 pm、優選^5 |im且￡8 (Lim。
在上面詳細描述的實施方式中的元件和特征的具體組合只是舉例說明的，用本說明書和或在此引用的專利/申請中的其他教導對這些教導的互換
和替代也是明確考慮的。因為本領域技術人員明白，本領域技術人員能夠對在此所述的內容進行變化、修改和其他的操作，只要不偏離請求保護的本發明的精神和范圍。因此，前面的描述只是示例性的，并不視為限制性的。在下面的權利要求書和與之等價的部分定義了本發明的范圍。此外，說明書和權利要求書中所用的參考標記并不限制請求保護的本發明的范圍。
權利要求
1.磁化學傳感器，其特別用于確定液體樣品中的至少一種分析物的存在、特性、量和/或濃度，所述傳感器包括(a)第一材料，其中第一材料是彈性材料，其根據與所述至少一種分析物的相互作用而改變其物理性質；(b)第二材料，其包埋于所述第一材料中，其中所述第二材料是磁性材料。
2. 權利要求1的傳感器，其中所述傳感器包括至少一個電流輸送工具，用于提供電流以引起第二材料中的磁偶極子方向的變化；和/或所述傳感器包括至少一個測量工具以及至少一個GMR元件，用于測量第二材料的定向偶極子的雜散磁場的面內分量所引起的GMR元件的電阻的變化。
3. 權利要求1或2的傳感器，其中所述第二材料的飽和磁化強度為21 x 1()5A/m且^1 x 106A/m。
4. 權利要求1到3中任一項的傳感器，其中所述第二材料在所述第一材料中的濃度為^1%且^20%。
5. 權利要求1到4中任一項的傳感器，其中所述第二材料的磁化率和濃度的乘積為^103且S 4* 107。
6. 權利要求1到5中任一項的傳感器，其中所述第二材料的平均粒度為21 nm且S40nm。
7. 權利要求1到5中任一項的傳感器，其中所述第二材料的磁各' 向異性常數為21*103/1113且《1*1051/1113。
8. —種利用權利要求1到7中任一項的傳感器測量樣品中至少一種分析物的存在、特性、量和/或濃度的方法，所述方法包括步驟(a) 容許所述第一材料和至少一種分析物接觸，以引起第一材料的物理性質的變化；(b) 施加電流，以引起第二材料的磁偶極子方向的變化；(c) 測量第二材料的定向偶極子的雜散磁場的面內分量所引起的 GMR元件的電阻的變化。
9. 權利要求8的方法，其中當所述第一材料與至少一種分析物相互作用時所述第一材料會改變其大小和/或厚度。
10. —種整合了權利要求1到7中任一項的傳感器和/或適用于實施權利要求8和9的方法以及被用于下面的一種或多種應用的系統* 用于分子診斷的生物傳感器* 快速靈敏地檢測復雜生物學混合物例如血液或唾液中的蛋白質和核酸* 用于化學、藥學或分子生物學的高通量篩選裝置* 測試裝置，例如用于例如犯罪學中的DNA或蛋白質測定、現場測定(醫院內測定)、中心實驗室或科研中的診斷性檢測* 用于心臟病學、感染性疾病和腫瘤學、食品、和環境診斷中的 DNA或蛋白質診斷的工具參用于組合化學的工具參分析裝置。
全文摘要
本發明涉及一種用于磁化學傳感器的傳感器元件，其包括第一凝膠樣材料(10)、特別是可膨脹性水凝膠如聚丙烯酰胺，以及顆粒形式的磁性第二材料(20)、特別是磁鐵礦(Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>)納米顆粒，所述第二材料與分析物例如葡萄糖的受體一起包埋在所述第一材料中。GMR元件(50)來檢測由于與所述分析物的相互作用而引起的磁場的變化。應用包括生物傳感器、DNA測試裝置和高通量篩選。
文檔編號H01F1/00GK101341399SQ200680048388
公開日2009年1月7日申請日期2006年11月24日優先權日2005年12月21日
發明者D·J·布勒布, E·佩特斯, H·范佐恩, M·P·B·布呂根, M·梅珍斯, R·庫爾特, R·彭特曼申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司

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