基于巨磁阻的微流控磁珠位置檢測方法與裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及微流控應(yīng)用領(lǐng)域，特別是一種利用巨磁阻傳感器檢測磁珠位置的方法 與裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 免疫磁珠是近些年來發(fā)展起來的一項新的免疫學技術(shù)，它將固化試劑特有的優(yōu)點 與免疫學反應(yīng)高度特異性結(jié)合于一體，W免疫學為基礎(chǔ)，滲透到病理、生理、藥理、微生物、 生化W及分子遺傳學等各個領(lǐng)域，其在免疫檢測、細胞分離、生物大分子純化和分子生物學 等方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
[0003] 目前，對于免疫磁珠定量的檢測研究較為廣泛與深入，但是對于免疫磁珠的定位 研究幾乎沒有?，F(xiàn)有的一些磁性物質(zhì)定位方法與裝置幾乎都是對于宏觀物質(zhì)而言，如中國 專利申請?zhí)枮?01210224965.X、名稱為"一種對于含有永磁體的對象遠程定位方法及系統(tǒng)" 的專利文獻中提供的是基于不少于四磁場傳感器陣列平面遠程定位方法及系統(tǒng)，將目標區(qū) 域位于四個或四個W上磁場傳感器陣列平面之間，找出各個平面場最強的點，再利用立體 幾何的知識結(jié)合磁場補償?shù)男畔⒓纯蓪h程目標進行定位，傳感器陣列包括四個或者多個 非固定磁場傳感器陣列平面、一個霍爾傳感器、一個磁阻傳感器；但是該方法及系統(tǒng)存在W 下缺點：第一，傳感器陣列結(jié)構(gòu)較為復雜，增加制造工藝的難度；第二，所利用的傳感器的 分辨率較大，對于微小的變化難W察覺，不適用于微觀物質(zhì)的定位，如果利用該系統(tǒng)定位一 些微觀磁性材料，則誤差比較大。
[0004] 李福泉、馮潔、陳翔、石海平等人發(fā)表于2010年11月第11期第18卷的《光 學精密工程》期刊上的外磁場方位及磁珠位置和團聚對巨磁阻生物傳感器檢測的 影響的文章，對磁珠位置對巨磁阻生物傳感器的影響做了一定的研究。其首先利用 Comsol軟件模擬了 3個因素對巨磁阻傳感器輸出信號的影響，模擬結(jié)果表明；外磁場 傾斜、磁珠位置偏離電阻條中屯、和磁珠團聚均會使信號減小。為了與模擬結(jié)果對比， 制備了與模型相同的線寬為Sum的巨磁阻生物傳感器，并測量了輸出信號與磁珠位 置的關(guān)系。在模擬實驗中，磁珠從電阻條中間位置沿y軸向電阻條邊緣移動，如圖1 所示。圖2顯示了巨磁阻電阻變化（已歸一化）與磁珠位置（y方向）的關(guān)系，圖2中 M肖表示磁珠位于電阻條中間時，磁珠引起巨磁阻電阻變化；隸示當磁珠球屯、位于J 處時，磁珠引起的巨磁阻電阻變化。巨磁阻電阻只對平行于巨磁阻表面的磁場敏感，且只與 磁場大小相關(guān)，與磁場方向無關(guān)。當磁場在小范圍變化時，可認為巨磁阻電阻隨平行表面的 磁場強度的大小線性變化。因此，當計算巨磁阻電阻變化時，可W直接把巨磁阻表面的平均 磁場和巨磁阻靈敏度直接相乘，就得到巨磁阻電阻變化的結(jié)果。參見圖3的免疫磁珠感應(yīng) 磁場示意，施加一個垂直于巨磁阻表面的激勵磁場，免疫磁珠經(jīng)外加垂直磁場磁化后，產(chǎn)生 一個偶極子場，偶極子場可W用W下公式（1)、（2)計算： v:r=o (1) B一U 似 U是磁標勢，J是磁感應(yīng)強度，▽是梯度算符。利用公式（1)、（2)來計算磁珠的感應(yīng) 磁場，然后把感應(yīng)磁場水平分量沿巨磁阻的區(qū)域積分，積分結(jié)果除W巨磁阻面積就得到沿 巨磁阻表面的平均磁場。磁珠的偶極子場在巨磁阻表面的分布式不均勻，因此當磁珠位于 電阻條的不同位置時，巨磁阻信號不同。磁珠位于巨磁阻電阻條的正中間時，電阻條覆蓋了 磁珠感應(yīng)磁場最強的區(qū)域，巨磁阻信號最大。當磁珠位于電阻條邊緣時，磁珠的感應(yīng)磁場部 分處于電阻條區(qū)域之外，巨磁阻信號變小。但該文章只是簡單地研究了磁珠在一維固定直 線軌跡情況下位置變化對巨磁阻阻值的影響，并未描述如何具體檢測微流控磁珠的空間位 置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種基于巨磁阻的微流控磁珠位置檢測方法與裝置，能夠精 準地檢測到免疫磁珠的位置變化和微觀下的磁珠空間位置。
[0006] 本發(fā)明基于巨磁阻的微流控磁珠位置檢測裝置采用的技術(shù)方案是；包括一塊上下 兩層固定在一起的實體磁性屏蔽材料板，在上下兩層的中間埋設(shè)一個從左到右的微管道， 微管道最左端是細胞溶液進口和免疫磁珠溶液進口，最右端是混合液出口，細胞溶液進口 和免疫磁珠溶液進口均連接混合室，混合室經(jīng)倒置的=棱柱微管道接混合液出口，=棱柱 微管道的橫截面是頂點在下的等腰或等邊=角形；在=棱柱微管道的正下方從左至右有間 隔地均勻分布多個巨磁阻巧片，巨磁阻巧片水平布置且=棱柱微管道的橫截面=角形的高 垂直于巨磁阻巧片的上下表面，巨磁阻巧片相對于=棱柱微管道的頂邊前后對稱；多個巨 磁阻巧片的下表面緊密固定貼合在非磁性屏蔽材料隔層的上表面上，整個非磁性屏蔽材料 隔層覆蓋在永磁體的上表面上，永磁體是磁場垂直于巨磁阻巧片上下表面的永磁體；巨磁 阻巧片、非磁性屏蔽材料隔層和永磁體均緊密嵌在磁性屏蔽材料板的下層中；每個巨磁阻 巧片都經(jīng)導線連接外部的信號處理模塊，信號處理模塊連接上位機；每個巨磁阻巧片由巨 磁阻a、b、C、d構(gòu)成的惠斯通電橋組成，外接直流恒流電源，僅在巨磁阻d外包裹一層磁性 材料屏蔽層，直流恒流電源正極由巨磁阻a、b之間的連接點A輸入，負極由巨磁阻C、d之 間的連接點D輸出。
[0007] 本發(fā)明基于巨磁阻的微流控磁珠位置檢測方法采用的技術(shù)方案是包括W下步驟： 1)從免疫磁珠溶液進口通入免疫磁珠溶液、細胞溶液進口通入細胞溶液，兩種溶液進入混 合室內(nèi)形成混合溶液后進入倒置的=棱柱微管道，免疫磁珠被永磁體產(chǎn)生的磁場磁化，貝占 于=棱柱微管道的管壁緩慢流動；2)巨磁阻巧片受到免疫磁珠磁化得到的水平磁場的影 響，其電阻值發(fā)生改變，巨磁阻巧片將惠斯通電橋的連接點A、B、C、D的電位信號輸出到信 號處理電路模塊處理；3)處理電路模塊根據(jù)輸入的電位計算得到巨磁阻a、b、C的阻值，再 擬合出免疫磁珠在前后水平y(tǒng)軸方向的位置與巨磁阻阻值變化的特性曲線，判斷出y軸方 向免疫磁珠距離巨磁阻電阻條中屯、位置的距離。
[000引本發(fā)明與已有方法和技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點： 1、本發(fā)明采用位于巨磁阻巧片下方的永磁體磁化免疫磁珠，將巨磁阻巧片固定于微管 道下方，巨磁阻巧片位于微管道與永磁體之間，巨磁阻巧片距離免疫磁珠較近能夠精確地 感知免疫磁珠微小的位置變化，磁化后的免疫磁珠磁場作用于巨磁阻巧片，產(chǎn)生巨磁阻效 應(yīng)，使巨磁阻巧片輸出的電信號產(chǎn)生變化，不同的電信號表明免疫磁珠相對于巨磁阻巧片 中屯、的不同位置，傳感巧片比較簡單、易于制作；永磁體產(chǎn)生的磁場垂直于巨磁阻表面，垂 直的磁場對巨磁阻不會造成任何影響，減少了檢測過程中磁干擾。
[0009] 2、本發(fā)明利用特殊的倒置微=棱柱管道在四片巨磁阻組成的傳感器的檢測下獲 得免疫磁珠的空間位置；巨磁阻有較高的靈敏度和分辨率，適用于微觀物質(zhì)位置的檢測，其 更能精準地檢測到免疫磁珠的位置變化；巨磁阻巧片也不需要置位與復位電路，解決了電 路的復雜性問題。
[0010] 3、本發(fā)明利用微管道底部的磁體吸引免疫磁珠使其緊貼微管道壁流動。只需要檢 測免疫磁珠的J、Z軸的坐標，而檢測免疫磁珠的r軸坐標不給予考慮。免疫磁珠在管道中 是一直不斷地流動，其X軸方向的位置也一直不斷地在變化。另外，由于免疫磁珠是緊貼管 道壁流動的，所W只需檢測y軸坐標，Z軸坐標則利用=角函數(shù)計算獲得。如此，大大簡化 了檢測的復雜性，更容易實現(xiàn)對免疫磁珠位置的檢測。
[0011] 4、本發(fā)明采用的傳輸管道是倒置的=棱柱微管道，在磁體的吸引下，免疫磁珠由 于力的綜合作用緊貼=棱柱微管道壁流動，倒置的=棱柱微管道靠近棱邊的空間非常微 小，只能容得下一個磁珠，管道中的免疫磁珠為單個列隊式流動。不會出現(xiàn)并行的流動的情 況，解決了檢測免疫磁珠位置時多個磁珠之間相互干擾的問題。
[0012] 5、本發(fā)明采用四片巨磁阻構(gòu)成的惠斯通電橋作為一個巨磁阻巧片對免疫磁珠進 行位置檢測，其中=片未覆蓋磁性屏蔽材料，一片覆蓋磁性屏蔽材料作為參考。=片未覆 蓋磁性屏蔽材料的巨磁阻分別根據(jù)各自阻值求出，再擬合磁珠y軸方向位置與巨磁阻阻值 變化的特性曲線，判斷出磁珠距離巨磁阻電阻條中屯、位置的距離，利用了相應(yīng)的幾何關(guān)系 確定免疫磁珠的位置更為精確。
[0013] 6、本發(fā)明可采用巨磁阻巧片多次檢測免疫磁珠的位置，至少S個巨磁阻巧片在相 鄰位置檢測同一免疫磁珠在=棱柱管道中的位置，多次檢測多次控制，有利于控制免疫磁 珠在管道中流動時到達所需的理想中屯、位置。
[0014] 7、本發(fā)明將整個免疫磁珠的定位放置于具有磁性屏蔽功能材料制成的長方實體 中，W免受到外界磁場的干擾，如此解決了外磁場對于檢測過程中的干擾，大大提高了免疫 磁珠定位的精確性。
【附圖說明】
[0015] 圖1是【背景技術(shù)】中磁珠在電阻條中間位置的坐標示意圖； 圖2是【背景技術(shù)】中巨磁阻電阻變化與磁珠位置關(guān)系曲線圖； 圖3是【背景技術(shù)】中磁珠感應(yīng)磁場示意圖； 圖4是本發(fā)明基于巨磁阻的微流控磁珠位置檢測裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是圖4中巨磁阻巧片、S棱柱微管道、非磁性屏蔽材料隔層W及永磁體的組裝結(jié)構(gòu) 放大圖； 圖6是圖5中利用=棱柱微管道的橫截面計算Z軸坐標的幾何圖； 圖7是圖5中單個巨磁阻巧片結(jié)構(gòu)及其外接結(jié)構(gòu)示意圖； 圖8是圖4所示檢測裝置的電路組成及連接示意圖； 附圖中各部件的序號和名稱；1.免疫磁珠；2.巨磁阻巧片；3.S棱柱微管道；4.非 磁性屏蔽材料隔層點永磁體；6.混合室；7.細胞溶液進口；8.免疫磁珠溶液進口；9.混 合液出口；10.固定螺絲；11.磁性屏蔽材料板；12.導線；13.信號處理模塊；14.上位機； 15.四片巨磁阻；16.磁性材料屏蔽層；17.直流恒流電源；18.信號篩選電路；19.放大電 路；20.A/D轉(zhuǎn)換電路；21.