磁敏生物传感器及其在生物检测中的应用*

穆晞惠， 童朝阳， 黄启斌

(国民核生化灾害防护国家重点实验室，北京 102205)



综述与评论

磁敏生物传感器及其在生物检测中的应用*

穆晞惠， 童朝阳， 黄启斌

(国民核生化灾害防护国家重点实验室，北京 102205)

磁敏生物传感器是一种利用磁与电之间的关系对磁标记待测生物分子敏感，并将其磁信号转换为可用输出信号实现生物分子检测的新型传感器。对磁敏生物传感器及其在生物检测中的应用进行了综述，并对该领域的发展方向进行了展望。

磁敏； 生物传感器； 检测； 应用

0 引 言

磁敏传感器主要用来检测磁场的存在、强弱、方向和变化等。由于具有干扰小、体积小、生产成本低、对磁信号响应灵敏等特点，使其在未来的信息技术、电子电力、能源工业、工业自动控制及生物医学等领域展现出广阔的应用前景。近年来，超顺磁颗粒由于具有独特的超顺磁性和高矫顽力等磁学特性，使其在生物分离和检测等生物医学领域得到广泛应用。以超顺磁颗粒为信号标记的磁检测技术，相比于其他技术有着独特的优势。磁敏生物传感器将超顺磁颗粒作为磁性标记物，具有标记物(磁性)稳定性好、灵敏度高、背景干扰小、生物相容性好、定量准确、制备简单、价廉、易保存等优点。本文重点综述磁敏生物传感器及其在生物检测领域中的应用进展。

1 磁敏生物传感器的类型

根据磁电效应原理不同可分为超导量子干涉磁敏传感器、感应式磁敏传感器、磁通门式磁敏传感器、混频式磁敏传感器、霍尔磁敏传感器及磁敏电阻式传感器等几种类型。

1.1 超导量子干涉磁敏传感器

超导量子干涉(superconducting quantum interference,SQUI)磁敏传感器是基于约瑟夫逊效应和磁通量子化现象发展起来的超导电子器件，实质是一种将磁通转换为电压的磁通传感器。作为一种灵敏度极高的磁传感器，可灵敏地检测多种场合中的磁场，特别对微弱磁场具有相对高的灵敏度，但需在低温下操作且仪器昂贵，因此，受到使用范围限制[1,2]。

1.2 感应式磁敏传感器

感应式磁敏传感器又称磁电感应式传感器，是基于法拉第电磁感应原理进行磁场测量的传感器。通常采用平面螺旋检测线圈与检测电路的电容器件组成谐振电路，当被电磁铁或激励线圈磁化的磁标记贴近检测线圈时，线圈电感发生变化，从而导致电路谐振频率的变化。该传感器结构相对简单、输出功率大且性能稳定，但灵敏度不高、体积大且成本高[3,4]。

1.3 磁通门式磁敏传感器

磁通门式磁敏传感器是基于法拉第电磁感应定律和软磁材料磁饱和特性进行磁场测量的传感器。通常采用高导磁率的软磁性材料(如坡莫合金)作磁芯，在饱和交变磁场的激励下，磁芯发生周期性饱和与非饱和变化，感应线圈可检测出随环境磁场强度而变的偶次谐波增量。该传感器在制造工艺上非常敏感，其分辩率较高(10 pT～1 nT)，可以测量直流或低频交流磁场(频率上限约为10 kHz)，测量范围较宽(10-10～10-4T)，存在体积较大和成本较高缺点，且响应速度较慢[5]。

1.4 混频式磁敏传感器

混频式磁敏传感器是基于多频非线性测量技术，即利用超顺磁颗粒处于多频交变磁场下产生的非线性响应进行磁场测量的传感器。通常包含两个激励线圈和两个检测线圈，对两个激励线圈施加不同频率的交变电流，由于超顺磁颗粒磁化曲线的非线性可以实现2种频率的混频，两个检测线圈采用相反方向绕制，磁标记位于一个线圈内，利用两组线圈的输出差别可检测混频频率。该传感器具有结构简单、成本低、灵敏度较高等特点[6]。

1.5 霍尔磁敏传感器

霍尔磁敏传感器是基于磁场存在下的半导体材料中发生的霍尔效应制作的一种磁传感器。当与外磁场垂直的电流流过半导体薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势(即霍尔电势)，该霍尔电势与外磁场的磁感应强度和电流大小呈正比，当电流大小固定时，霍尔电势完全与磁感应强度呈正比。该传感器对于强磁场测量最为理想，用于测量10-3～10-1T的磁场强度，其优点是体积小、频率响应宽、成本低、一致性好，缺点是对外部压力敏感、弱磁场时灵敏度不高、温度稳定性较差[7]。

1.6 磁敏电阻式传感器

1)各向异性磁电阻传感器

各向异性磁电阻(anisotropic magnetoresistance，AMR)传感器是基于各向异性磁电阻效应(即指铁磁金属或合金等铁磁材料中，磁场平行电流和垂直电流方向电阻率发生变化的效应)来测量弱磁场的一种传感器。AMR传感器的灵敏度是霍尔传感器的100倍，具有体积小、阻抗低、可靠性高及耐恶劣环境能力强、成本低、灵敏度较高等优点，但由于AMR磁电阻率变化小，在检测微弱磁场时受到限制，因而常用于测量弱磁场[8]。

2)平面霍尔效应传感器

平面霍尔效应(planar Hall effect，PHE)传感器是基于磁性物质晶格的各向异性散射(即平面霍尔效应)来测量微弱磁场的一种传感器。与AMR传感器相比，PHE传感器具有低热漂、易获得线性响应、高的灵敏度(nT)和信噪比等特点，可用于测量微小磁场下沿电流方向的磁化偏移和微米、纳米级的磁珠，但其灵敏度不及GMR，TMR传感器[9,10]。

3)巨磁电阻传感器

巨磁电阻(giant magnetoresistance，GMR)传感器是基于巨磁电阻效应(即指在外磁场作用时磁性材料的电阻率发生巨大变化的现象)来测量微弱磁场的一种传感器。GMR传感器继承了AMR传感器的优点，与其相比有着更大磁电阻变化率，因而灵敏度更高，且GMR传感器能够测量微弱磁场，扩大了磁场测量与应用范围，呈现出广阔的应用前景[11]。

4)遂穿磁电阻传感器

继巨磁电阻效应之后出现了具有更高的室温磁电阻比值的磁性遂道结材料，基于遂穿磁电阻效应(tunneling magnetoresistance effect,TMR)的TMR传感器成为自旋电子学和磁敏传感器最新的研究方向，它具有体积小、成本低、生物背景低、灵敏度高、高通量等特点[12]。

2 磁敏生物传感器在生物检测中的应用

近年来，磁敏生物传感器与侧流免疫层析、磁弛豫分析等技术相结合，已实现了多种病原菌、肿瘤标志物、细胞、核酸及蛋白分子等生物分子的检测，如表1。

2.1 病原菌检测

2001年，Miller M M等人[13]将磁颗粒作为标记物，利用GMR传感器研制的磁标记阵列计数器(BARC)，实现了土拉热弗朗西丝菌单链DNA寡聚体定量检测，可同时检测8种以上样品。随后Miller M M和NVE公司合作采用半导体工艺在硅基片上集成了64路GMR传感器，设计了第三代BARC阵列芯片[14]。2007年,Meyer M H F等人[15,16]同样将磁颗粒作为标记物，采用频率组合技术研制了一种小型、便携、操作简便的混频式磁敏生物传感器，成功实现了土拉热弗朗西丝菌、鼠疫耶尔森菌的高灵敏、快速检测，其检测限分别为103cfu/mL和2.5 ng/mL，线性范围分别为104～106cfu/mL和25～300 ng/mL。Martínez S等人[17]将磁颗粒作为标记物偶联抗体，利用感应微线圈作为磁颗粒标记微生物的磁免疫分析新工具，构建了感应式磁敏传感器，实现了大肠杆菌的简单快速检测，当样品0.5μL时可检测到为50个E.coli细胞。Issadore D等人[18]将MnFe2O4作为磁标记，采用霍尔传感器实现了金黄色葡萄球菌、粪肠球菌及黄色微球菌的检测，其检测线性范围101～106细胞。Zhang Ping等人[19]采用CoFe2O4磁标记的GMR生物传感器检测低浓度病毒，其检测灵敏度为10-20mol/L。Grossman H L等人[2]利用SQUID传感器和高灵敏的磁通量检测器测量磁弛豫信号，实现了悬液中磁性标记的单核细胞增生李斯特菌定量检测，当样品体积为20，1 μL时，其检测限分别为(5.6±1.1)×106细胞和230±40细胞。

2.2 真菌毒素检测

真菌毒素是真菌的次级代谢产物，对人体和动物都有极大的危害，传统检测真菌毒素的多采用胶体金试纸条与和酶免疫试纸盒，但其灵敏度不够高，Mak A C等人[20]采用GMR传感器和双抗体夹心免疫测定模式，实现了黄曲霉毒素B1(AFB1)、玉米赤霉烯酮、HT—2等多种真菌毒素的快速、高灵敏定量检测，其检测限均可达50 pg/mL。

表1 磁敏生物传感器在生物检测中的应用

Tab 1 Application of magnetic sensitive biosensor in biological detection

传感器类型检测目标物检测限线性范围参考文献SQUID磁敏传感器T细胞单核细胞增生李斯特菌β—INFDNA分子乳腺癌细胞105cell(5.6±1.1)×106cell/20μL或(230±40)cell/μL-4pmol/L105cell-----[33][2][32][23][28]感应式磁敏传感器PSA大肠杆菌1ng/mL50cell/0.5μL--[3][17]混频式磁敏传感器土拉热弗朗西丝菌鼠疫耶尔森菌CRP103cfu/mL2.5ng/mL25ng/mL104～106cfu/mL25～300ng/mL25～2500ng/mL[15][16][34]磁通门式传感器琼脂糖球和牛血清白蛋白抗人IgG----[40][41]霍尔磁敏传感器MDA—MB—468乳腺癌细胞金黄色葡萄球菌、粪肠球菌和黄色微球菌DNA分子---101～105cell101～106count-[27][18][21]PHE传感器cTnIHIV—1p24DNA分子0.01～1000ng/mL30pg/mL-0.01～1000ng/mL30～1000pg/mL0～200pmol/L[38][39][24]AMR/PHR传感器cTnI-0.44～2.2nmol/L[35]GMR传感器土拉热弗朗西丝菌DNA寡聚体病毒AFB1、玉米赤霉烯酮和HT—2PTHHCGAFP兔IgG和γ—INFIL—6,CEA,G—CSF,IL—1α,γ—INF,TNF—α-10-20mol/L50pg/mL0.8pmol/L2.7ng/mL,2.4pmol/L1ng/mL12pg/mL-5,119,53,56,59,13,57fmol/L---0～100pmol/L--12～12000pg/mL--[13][19][20][36][37,29][25][31][30][29]TMR传感器AFP,CEA糖链抗原DNA分子0.1μg/L30U/mL1pmol/L0.1～100μg/L30～30000U/mL-[26][26][22]

2.3 DNA检测

Sandhu A等人[21]和Albisetti E等人[22]分别研制了微型霍尔生物传感平台和TMR生物传感器，实现了寡核苷酸DNA分子检测，其检测限为1 pmol/L。de la Torre T Z G等人[23]采用SQUID传感器检测滚环扩增的DNA分子，同时研究50，130，250 nm的葡聚糖包覆Fe3O4磁性微球对于检测性能的影响，其检测限达到4 pmol/L，检测时间为20 min。Østerberg F W等人[24]采用平面霍尔效应电桥传感器检测磁性纳米球的Brownian弛豫，实现了滚环扩增的浓度为0～200pmol/L DNA分子检测。

2.4 临床诊断

1)肿瘤标志物检测

Sharif E等人[3]和刘庆胜等人[25]分别采用感应式磁敏传感器和GMR多层膜传感器实现了前列腺特异性抗原(PSA)和甲胎蛋白(AFP)快速、高灵敏检测，其检测限均为1 ng/mL。廉洁等人[26]研制了肿瘤多靶标生物标志物联合检测的TMR生物传感器，在30 min内实现了AFP，CEA,糖链抗原3种消化系统肿瘤标志物的快速检测，其检测限分别为0.1，0.1，30 U/mL。Issadore D等人[27]将MnFe2O4作为磁标记，采用霍尔传感器实现了全血稀有乳腺癌细胞MDA—MB—468检测，其线性范围为101～105细胞。Johnson C等人[28]以Fe3O4为标记物，利用磁弛豫分析与SQUID传感器对MCF/Her2—18检测，其检测限为105个乳腺癌细胞。

2)细胞因子检测

Osterfeld S J等人[29]将Fe3O4作为标记物，利用GMR传感器实现了CEA，G—CSF，IL—1α，γ—INF，TNF—α等癌症相关细胞因子检测，其检测最低浓度可达到fmol/L。Li Yuanpeng等人[30]采用构建的GMR生物传感器实现了IL—6快速高灵敏检。Taton K等人[31]将磁性侧流免疫层析技术与GMR生物传感技术相结合，实现了兔IgG和γ—INF，其检测限均为12 pg/mL。Enpuku K等人[32]采用高温SQUID磁强计研究抗原/抗体结合反应并实现了人β—INF的检测。

3)其他生化检测

Flynn E R等人[33]使用SQUID检测磁颗粒标记的T细胞，其灵敏度为105细胞。Meyer M H F等人[34]采用混频式磁敏传感器实现了C反应蛋白(CRP)的快速定量检测，其检测限为25 ng/mL，线性范围为25～2 500 ng/mL。Oh S等人[35]基于各向异性磁电阻效应和平面霍尔阻抗效应研制了AMR/PHR混合型传感器，可实时监测0.44～2.2 nmol/L的cTnI。Dittmer W U[36]和Osterfeld S J[29]采用磁标记技术构建的GMR生物传感器实现了甲状旁腺素(PTH)和HCG快速高灵敏检测，其检测限分别为0.8,2.4 pmol/L。另外，以胶体金标记的传统侧流免疫层析技术由于存在不能实现定量检测，且通过光检测其灵敏度不高等不足。为了进一步提高灵敏度，Marquina C等人[37],Xu Quanfu等人[38],Workman S等人[39]采用磁颗粒作为标记物，将磁性侧流免疫层析技术与GMR、霍尔生物传感技术相结合，实现了HCG,cTnI,HIV—1 p24抗原等生物分子的高灵敏检测，其检测限分别为2.7,0.01 ng/mL和30 pg/mL，该方法具有简单、快速、低成本的优点，可满足快速检测需要。

Heim E等人[40]采用磁通门磁性弛豫分析亲和素修饰超顺磁颗粒与生物素标记分析物间的结合，通过比较琼脂糖球和牛血清白蛋白2种不同大小分析物的反应进程差异，获得了不同的分析弛豫信号和在磁通门系统中的反应动力学。Dieckhoff J等人[41]基于磁通门测量系统分析30 nm磁颗粒与旋转磁场间的相位滞后，研究中蛋白G修饰磁颗粒与分析物抗人IgG结合影响了相位滞后改变，测量磁颗粒相位滞后的改变与不同浓度分析物是呈对数模式，并且改变磁颗粒浓度，结果是与分析物浓度的对数模式呈非线性改变，该效应适用于多数反应规律。

3 结束语

随着传感技术、半导体工艺和微电子学的迅速发展，具有灵敏度高、稳定性好及操作简单的磁敏生物传感器在生物检测、医学和食品卫生检验等领域展现了良好的应用前景。特别是，磁敏电阻式传感器以其灵敏度高、稳定性好、抗干扰能力强、可实时检测、小型及易自动化、集成化等独特优势，在科学研究和免疫诊断等方面得到应用，可用于检测磁性标记的低浓度DNA或蛋白等生物分子，使其成为具有应用前景的生物分子检测平台[42,43]。虽然磁敏生物传感器有了一定的发展，但将其应用于生化物质的现场快速检测，离实用化还有一定距离，还需提高其测量范围、测量精度及可靠性，研制一种集成化、微型化与网络化的磁敏生物传感器是未来发展方向。

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童朝阳，通讯作者,E—mail：billzytong@126.com。

Magnetic sensitive biosensors and its application in biological detection*

MU Xi-hui, TONG Zhao-yang, HUANG Qi-bin

(State Key Laboratory of NBC Protection for Civilian,Beijing 102205,China)

Magnetic sensitive biosensors,as a new type of sensor for biological molecule detection,utilizes relationship between magnet and electricity,and it is sensitive to test biological molecules with magnetic marker,and magnetic signal is converted to usable output signal.Magnetic sensitive biosensor and its application in biological detection are reviewed respectively,and its future development direction are prospected.

magnetic sensitive; biosensor; detection; application

2015—06—17

国民核生化灾害防护国家重点实验室基础研究基金资助项目(SKLNBC2012—01)

10.13873/J.1000—9787(2015)09—0001—05

TP 212

A

1000—9787(2015)09—0001—05

穆晞惠(1978-)，女，黑龙江鸡西人，博士研究生，助理研究员，主要从事生物检测工作。