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巨磁阻（gmr）生物传感器读出电路关键技术研究

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巨磁阻（GMR）生物传感器读出电路关键技术研究

作者：洪亚茹北方工业大学

学位级别：硕士

巨磁阻(gmr)生物传感器主要用来测量细胞、病毒、DNA、蛋白质等生物信号,是近几年国内外争相研究的一个新的热点。高质量的信号读出对医学诊断具有重要的研究意义和广阔的应用前景,所以抑制噪声干扰,设计相关运放和模数转换器的读出电... 详细信息

巨磁阻(gmr)生物传感器主要用来测量细胞、病毒、DNA、蛋白质等生物信号,是近几年国内外争相研究的一个新的热点。高质量的信号读出对医学诊断具有重要的研究意义和广阔的应用前景,所以抑制噪声干扰,设计相关运放和模数转换器的读出电路变得至关重要。本文提出的巨磁阻生物传感器读出电路主要包括带有斩波技术的电流反馈仪表放大器(CFIA)和逐次逼近型模数转换器(SARADC)两部分。其中电流反馈仪表放大器的作用是放大前端微弱信号,通过分析和比较不同仪表放大器的优缺点,CFIA电路的输入阻抗大,共模抑制能力强,比较适合桥式读出电路应用。SARADC主要用来把模拟信号转换成数字信号,便于之后信号性能分析,其结构简单、面积小、功耗低具有很大的应用价值。本文针对巨磁阻生物传感器的读出电路展开研究,主要内容和创新成果包括:1.通过研究运放的1/f噪声和失调对巨磁阻生物传感器读出信号的影响,设计了一种加入斩波技术的电流反馈仪表放大器,该架构在放大信号的同时,有效的抑制了低频噪声和失调对前端微弱信号的影响。2.设计了一种12位自校准SARADC,其特色和创新是DAC阵列采用基于Vcm的分段式电容阵列,相较于传统DAC电容阵列减少了 87%的功耗。同时分段电容结构的桥式电容值设为单位电容的整数倍,并且增加了两个寄生补偿电容增强低位和高位电容阵列之间的匹配,采用寄生补偿电容校准电容阵列的非线性误差,提高了电容的匹配。整体结构在降低芯片面积和功耗的同时,提高了SAR ADC的精度。3.基于SMIC0.18μm CMOS工艺,在Cadence spectre平台下搭建电路原理图,电源电压为1.8V。通过设置电流反馈仪表放大器的电阻控制其增益为80dB,通过 PSS+PAC 仿真实际增益为 79.91dB,CMRR 为 173.8dB,PSRR 为 165.2dB,对电路进行PSS+Pnoise仿真,在1kHz处等效输入噪声为21.85nV/√Hz,整体功耗为487.98μW,噪声能效因子(NEF)的值为39.91,性能良好。12bit SARADC采样速率为 200KS/s,SFDR 为 80.98dB,SNDR 为 66.64dB,有效位数为 10.777bit,整体功耗为74.98μW。

关键词： gmr生物传感器斩波技术电流反馈仪表放大器 SAR ADC

基于gmr的磁标记自旋阀生物传感器技术的发展动态及应用前景研究

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河北职业教育 2008年第11期4卷 69-70页

作者：陈爽华中科技大学哲学系

磁标记自旋阀gmr生物传感器向着实时处理、多功能化、智能化、小型化、高灵敏度和准确性、易操作、低价格方向发展。在相关领域应用的前景非常广阔。

关键词： gmr生物传感器磁标记自旋阀

基于巨磁电阻（gmr）传感器的生物分子检测

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基于巨磁电阻（GMR）传感器的生物分子检测

作者：刘庆胜上海交通大学

学位级别：硕士

巨磁电阻（gmr）生物传感器是利用超顺磁磁珠标记被检测生物分子，通过传感器gmr效应检测到磁珠，从而达到对被磁珠标记生物分子检测的目的。巨磁阻生物传感器具有高信噪比，与IC工艺兼容，集成度高，多通道并行检验等优点，成为近年来... 详细信息

巨磁电阻（gmr）生物传感器是利用超顺磁磁珠标记被检测生物分子，通过传感器gmr效应检测到磁珠，从而达到对被磁珠标记生物分子检测的目的。巨磁阻生物传感器具有高信噪比，与IC工艺兼容，集成度高，多通道并行检验等优点，成为近年来国内外的研究热点。本研究旨在实现利用巨磁阻传感器对蛋白质和DNA生物分子检测的应用。主要的研究工作如下：本文首先介绍了多层膜结构gmr传感器的制作工艺、器件结构以及工作原理。在原有工艺基础上设计了一种新型结构的gmr生物传感器，以实现对低浓度生物分子的检测。利用低浓度微磁珠溶液对此器件进行了实验，得到了预期效果。甲胎球蛋白（AFP）是人类发现的第一个真正有价值的肿瘤标志物,被认为是诊断和发现原发性肝癌（HCC）的重要手段。AFP（甲胎蛋白）的检测对于肝癌早期诊断具有重要价值。本文采用免疫磁珠标记法，对被AFP进行标记。利用gmr生物传感器实现了对含有AFP（甲胎蛋白）抗原分子的样本溶液进行了定性检测。另外分别检测了含AFP三种浓度梯度的样本溶液，得到了检测结果，并对数据进行了分析。除了对蛋白质的检测，本文还利用gmr生物芯片对两种HBV病毒DNAB型和C型进行了分型实验。首先对被检测的两种DNA分别进行PCR扩增，并且用磁珠标记，产生被检测样本。在芯片表面固定不同的DNA探针类型来检测被磁珠标记的DNA样本。通过对不同区域gmr传感电阻变化值的比较，判断出了两种不同类型的HBV病毒DNA。

关键词： gmr生物传感器超顺磁磁珠甲胎蛋白乙肝病毒基因分型

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gmr免疫芯片的蛋白质固定及检测研究

GMR免疫芯片的蛋白质固定及检测研究

作者：谭抑扬上海交通大学

学位级别：硕士

首先我们通过磁控溅射、光刻、离子束刻蚀及剥离工艺等技术和方法制备一种多层膜结构的阵列式gmr传感器芯片，这种阵列式芯片每片上集成多个传感器件，可以同时完成多种目标生物分子的检测。本文介绍了加工工艺流程，并讨论了此种gmr传... 详细信息

首先我们通过磁控溅射、光刻、离子束刻蚀及剥离工艺等技术和方法制备一种多层膜结构的阵列式gmr传感器芯片，这种阵列式芯片每片上集成多个传感器件，可以同时完成多种目标生物分子的检测。本文介绍了加工工艺流程，并讨论了此种gmr传感器芯片的工作模式。本文重点介绍了一种用聚乙烯亚胺（polyethyleneimine,PEI）修饰gmr生物传感器表面以固定和检测蛋白质分子的实验方法。传感器表面通过等离子体与PEI修饰后，可特异性地结合抗体分子。在蛋白质分子的固定实验中，使用人免疫球蛋白G (immunoglobulin G,IgG)作为探针修饰在传感器表面，以捕获生物素标记的驴抗人IgG，并通过亲和素标记的直径300nm的超顺磁磁珠检测gmr生物传感器的信号。本实验对五种浓度的驴抗人IgG进行了检测，得到了4～164m的gmr电阻变化值，且gmr信号与驴抗人IgG的浓度呈半对数关系。该阵列式gmr传感器芯片可用于定量检测生物样品中某种或某几种蛋白浓度的实验，并有望未来应用于临床检测中。最后，本文还介绍了一种基于PDMS微流道系统(PDMS-capillarysystems,PDMS-CSs)的蛋白固定方法，即首先利用PDMS微流道系统将荧光标记的蛋白质分子固定在平整的PDMS基板上，然后通过荧光显微镜观察PDMS基板上蛋白固定的情况。荧光检测的结果表明，这种实验方法能有效地区分检测样品中目标蛋白质分子的浓度大小，但是荧光信号的强弱区别较小，这说明这种试验方法的固定效率较低，灵敏度还有待提升。这种方法有望应用到gmr生物传感器检测蛋白质分子中，应用时只需要将荧光标记的蛋白质换成磁珠标记的蛋白质，在固定反应结束后将PDMS基板覆盖到gmr传感器上进行检测即可。

关键词： gmr生物传感器超顺磁磁珠蛋白固定 PEI PDMS-CSs

基于FPGA的数字锁相放大器在磁珠检测上的应用

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基于FPGA的数字锁相放大器在磁珠检测上的应用

作者：武鹏飞重庆大学

学位级别：硕士

弱信号检测是信号检测领域中很重要的一部分,它的应用范围很广,如雷达、地质勘探、声谱光谱探测、环境气体监测、生物样品检测等都属于弱信号检测的应用。检测微弱信号的方法有很多,利用锁相放大器进行弱信号检测就是其中一种常用的方... 详细信息

弱信号检测是信号检测领域中很重要的一部分,它的应用范围很广,如雷达、地质勘探、声谱光谱探测、环境气体监测、生物样品检测等都属于弱信号检测的应用。检测微弱信号的方法有很多,利用锁相放大器进行弱信号检测就是其中一种常用的方法。而目前常见的通用型锁相放大器,体积较大,价格昂贵,为了适用仪器化的需求,近几年各种专用的锁相放大器的研究受到人们普遍重视。本文以磁珠浓度的定量检测为背景,以FPGA做为技术实现手段,采用相关性原理设计了一款专用数字锁相放大器,并将它用于磁珠检测系统。由于巨磁电阻(Giant Magneto-Resistance,gmr)效应的发现,高灵敏度的gmr传感器也应运而生,通常,人们将用于生物样品检测的gmr传感器、检测电路和免疫磁珠一起统称为gmr生物传感器。它的基本工作原理是:将生物样品与免疫磁珠结合构成生物探针的一部分,另一部分生物探针固定在gmr传感器表面,当gmr传感器表面的生物探针捕获到结合有生物样品的免疫磁珠时,在免疫磁珠产生的微小磁场影响下,gmr传感器的电桥平衡会被打破,产生输出信号。建立输出信号变化量与磁珠浓度之间的对应关系便能完成对生物样品的检测。然而,由于gmr传感器输出的电信号很小,往往被淹没在噪声之中,检测电路若不能有效的将磁珠微弱的输出变化检测出来,对目标生物样本的检测也无从谈起,因此,检测电路能否检测到磁珠对输出变化量的影响是gmr生物传感器进行检测的第一步,其性能将直接决定和制约gmr生物传感器的整体性能。锁相放大技术是微弱信号检测技术当中应用较为广泛的一种,能够检测到信噪比为10的微弱信号,其效果相当于一个中心频率可调且带宽宽度小于0.004HZ的带通滤波器,与窄带滤波法和取样积分与数字式平均法等其他微弱信号检测方法相比,锁相放大技术更加的高效、灵活和稳定。然而,目前市场上的商用锁相放大器需要基于通用性和多功能的考虑,往往设备庞大且价格昂贵,难以适应当今生物检测快捷、廉价、现场检测及易操作等需求。因此,需要设计一款用于磁珠检测系统的专用锁相放大器。本文以磁珠检测为目标,设计了一款磁珠检测专用锁相放大器,并以此为基础构建磁珠检测平台,做了相应的磁珠检测工作。主要工作如下:(1)通过Dsp Builder平台设计了基于FPGA的磁珠检测专用型数字锁相放大器,采用DDS截断算法和改进的并行分布式算法分别完成了参考信号模块和低通滤波器模块的设计;根据实际应用需求,设计了磁珠信号的前置预处理电路,完成放大、滤波和模数转换等相关功能。(2)在设计好的数字锁相放大器为基础加上信号前置预处理电路构成信号检测电路,将信号检测电路、亥姆霍兹线圈、gmr芯片等构建了完成的磁珠检测系统。确定了该实验系统gmr传感器的工作模式,并在gmr传感器的工作模式下测定了gmr传感器的特性曲线。(3)在搭建好的磁珠测试系统上进行磁珠检测实验。实验结果表明:磁珠在15.5高斯直流偏置磁场,0.5高斯和交流激励磁场的工作环境中,磁珠测试系统检测电路能够检测浓度量级为10mg/mL的磁珠溶液引起的微弱输出变化,系统的检测灵敏度为:2.05×***/mg。

关键词： gmr生物传感器弱信号检测锁相放大器 Dsp Builder

Fe3O4纳米颗粒在磁性生物检测和柔性磁电材料中的应用研究

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Fe3O4纳米颗粒在磁性生物检测和柔性磁电材料中的应用研究

作者：官勐杰青岛大学

学位级别：硕士

磁性纳米材料由于具有独特的物理性质,已经成为近年来发展迅猛且极具研究价值的材料之一,在磁传感器、数据存储、生物医学和环境工程等方面具有很大的应用前景。在众多磁性纳米材料中,Fe3O4纳米颗粒具有高磁化强度、较好的磁致伸缩性能... 详细信息

磁性纳米材料由于具有独特的物理性质,已经成为近年来发展迅猛且极具研究价值的材料之一,在磁传感器、数据存储、生物医学和环境工程等方面具有很大的应用前景。在众多磁性纳米材料中,Fe3O4纳米颗粒具有高磁化强度、较好的磁致伸缩性能、容易进行表面改性和无毒的生物相容性等优点,被广泛应用于上述领域。许多研究者致力于该纳米颗粒的应用研究开发,其中在巨磁阻（gmr）生物检测和柔性磁电复合材料中的应用备受关注。与其他生物传感器相比,gmr生物传感器具有高灵敏度、低噪音、稳定的磁标记、可重复和可量化等优势被广泛用于生物医学领域。gmr生物传感器的原理实际上是对磁性标签所产生的弥散场进行检测,因此,磁性标签的磁性能将直接决定检测的结果。在实际检测中,人们希望传感器能有高的检测精度,这就要求磁性标签材料能够有高的饱和磁化强度、良好的分散性和均匀的粒径分布。目前,科学家们已通过很多方法改善磁性标签性能,但仍有不足,需要开发新型磁性标签满足对超低浓度检测的需要。Fe3O4纳米颗粒除了可以用于磁性生物检测之外,另一重要领域为柔性磁电复合材料。这种材料具有加工性能好和可弯曲等优点,在制备可穿戴器件上有极大的应用潜力,是近年来Fe3O4颗粒应用研究的一个新热点。在器件的实际应用中,人们往往期望其具有较高的灵敏度和较宽的适用范围,这就对材料的性能提出了新的要求。磁致伸缩材料作为磁电复合材料中重要组成部分,它的性能对磁电转化性能有着直接的影响。因此,对磁致伸缩材料的探究很有必要。本文针对Fe3O4纳米颗粒在gmr生物检测和柔性磁电复合材料中的应用展开研究,设计、制备合适尺寸和形貌的Fe3O4颗粒,并将其应用于上述两个领域,具体工作如下:（1）针对gmr生物检测设计制备棒状Fe3O4纳米颗粒,并探讨最佳制备工艺。棒状Fe3O4纳米颗粒具有形貌和磁各向异性,轴向磁化强度高,将其应用于生物检测中有望提高检测精度。通过水热法制备了 5种不同大小的棒状α-Fe2O3前驱体,并将长为310 nm,直径为62 nm的α-Fe2O3还原为Fe3O4。在此期间,采用控制变量法探讨了反应温度和反应时间对还原过程的影响,发现当反应温度为520℃,时间为1 h时,α-Fe2O3能够完全反应为Fe3O4,且不含其他杂质。（2）针对柔性磁电复合材料设计制备了超顺磁Fe3O4纳米颗粒,并探讨最佳制备工艺。超顺磁Fe3O4纳米颗粒具有低矫顽力、低剩磁的优势,将其作为磁致伸缩相,将大大改善材料的磁滞现象,为开发低噪音,高灵敏度的磁电传感器提供条件。采用水热法合成了 4种不同粒径大小的球形Fe3O4纳米颗粒,颗粒大小均匀、分散性良好,呈现超顺磁特性。（3）搭建生物检测平台,将棒状颗粒应用于gmr检测,研究颗粒对输出信号、灵敏度、检出限、重复度的影响。结果发现,颗粒具有0.05 ng/mL超低的检出限（LOD）,这归因于棒状Fe3O4的形状各向异性能够产生较大的弥散场。在检测过程中,获得了 0.05ng/mL-1000ng/mL较宽的线性区间。除此之外,在多次测试中,磁性标签展示出优良的可重复性,这归因于棒状Fe3O4可以产生稳定有效的弥散场。使用棒状Fe3O4纳米颗粒作为磁标签,为提高gmr生物检测的灵敏度和可重复性提供了一种新的方法。（4）选择合适尺寸的超顺磁Fe3O4颗粒制备柔性磁电复合薄膜,并搭建磁电检测平台,测试了颗粒掺杂量对压电性能和磁电转换性能的影响。结果发现,随着颗粒含量的增多,压电性能不断减弱,这是由于颗粒的加入阻碍了畴壁的运动,进而降低压电效应。随着颗粒含量的增加,磁电性能出现先增大后减小的趋势,最优颗粒含量为5 wt%,此时磁电耦合系数α33为1.16 mV·cm-1·Oe-1。由于超顺磁颗粒的矫顽力和剩磁极低,使薄膜在磁电测试中几乎没有滞后现象。这种高灵敏度的柔性磁电复合薄膜为未来开发高灵敏度、低噪音的磁传感器奠定了基础。

关键词：磁性纳米颗粒 gmr生物传感器检出限磁电系数