组成图示
点击图片查看大图 · 依据论文自动绘制
传感器类型
综述或非传感器论文
检测对象
单链DNA（ssDNA）、蛋白质抗原（Troponin I、IgE等）；样品基质：缓冲液、复杂生物样品、细胞裂解液、浊液
检测原理
cBASS 采用夹心式亲和检测：捕获探针或抗体固定在 GMR 芯片表面，目标 DNA/蛋白与探针结合；随后引入表面修饰第二受体的超顺磁微珠（Dynal M-280），形成目标-磁珠复合物。检测时，交流电磁铁沿 z 轴施加 200 Hz、80–400 Oe 磁场，磁化微珠；微珠产生局部平面磁场，改变 GMR 多层膜中自旋相关散射，使电阻发生 ΔR/R 变化。多个磁珠的电阻变化近似叠加，经 Wheatstone 电桥转换为交流电压，再由锁相放大器同步检测，信号强度随结合磁珠数及目标浓度增加。该方案不依赖荧光或酶催化放大，而依靠磁珠高密度磁材料和流体力判别提升信噪比。
检测灵敏度
LOD: .07 aM（FABS）；LOD: 2 amol IgE（SQUID）；LOD: 约 30,000 个磁纳米颗粒（SQUID，平均核径 35 ± 5 nm）；灵敏度: 21 ± 4 μV/(μg Fe/mL)（Maxwell bridge）；线性范围: 1 × 10^5–3.33 × 10^6 个磁珠，r = 0.99（谐振线圈）；灵敏度: 0.5 ng/mL Troponin I（谐振线圈）；cBASS: 多路飞摩尔级（femtomolar or better）DNA/蛋白检测；BARC-III: 10 个 2.8 μm 磁珠（Table 2）。
效应效果
磁标签无磁背景、稳定且成本低。频率磁强计可检测 1×10^5 个磁珠，线性至 3.33×10^6 个（r=0.99），Troponin I 灵敏度 0.5 ng/mL，作者认为可接近 ELISA 但更快、更便宜。cBASS 在复杂基质中实现 DNA/蛋白多路飞摩尔级检测；FFD 在 33 μL/min 层流下产生约 48 pN 张力，去除 0.1–10 pN 非特异结合，保留 800–1200 pN DNA 双链或 60–250 pN 免疫复合物，特异标签密度比背景高 >100 倍。原文未报告 RSD 或回收率。
传感器的构成
- 换能器基底：BARC-III 半导体芯片，含 64 个多晶巨磁阻（GMR）蛇形电阻迹线，检测磁珠平面磁场。
- 表面钝化层：亚微米厚钝化层，隔离电解质并缩短磁珠与 GMR 迹线距离。
- 识别固定层：NeutrAvidin/链霉亲和素非粘附表面，用于固定生物素化捕获探针。
- 识别元件：生物素化 DNA 捕获探针或抗体，特异性捕获目标 DNA/蛋白。
- 信号标记物：Dynal M-280 超顺磁微珠（约 2.8 μm），表面修饰第二抗体或生物素-链霉亲和素，标记捕获目标。
- 封闭/抗非特异层：PEG、BSA、casein、Triton-X、Tween 20 等，降低非特异结合。
- 微流控流动池：非磁性材料流动池，层流输送样品与磁珠，实施流体力判别（FFD）。
- 磁场激励与读出：集成电磁铁施加 200 Hz、80–400 Oe 交流磁场，Wheatstone 电桥与锁相放大器读出 GMR 电阻变化。
中文摘要
在众多基于生物分子识别与标记的亲和生物传感器中，磁标记与磁检测正成为一类有前景的新方法。磁标签可通过多种相对非侵入的方式检测，具有物理化学稳定性好、制备成本较低、环境友好且易于生物相容等优点。本文概述了将磁标记与检测应用于生物传感的主要技术路线，包括基于磁导率、磁剩余、磁阻和霍尔效应的直接磁颗粒检测，以及基于微悬臂力放大生物传感器（FABS）和磁弛豫开关（MRS）的间接检测。文章进一步以美国海军研究实验室开发的紧凑型珠阵列传感器系统（cBASS）和珠阵列计数器（BARC）芯片为例，说明磁标记与微芯片检测集成为完整传感系统所面临的工程挑战。cBASS 将巨磁阻（GMR）传感器、微流控、表面化学和流体力判别相结合，可在复杂基质中实现 DNA 与蛋白质的多路飞摩尔级检测。
英文摘要
Among the plethora of affinity biosensor systems based on biomolecular recognition and labeling assays, magnetic labeling and detection is emerging as a promising new approach. Magnetic labels can be non-invasively detected by a wide range of methods, are physically and chemically stable, relatively inexpensive to produce, and can be easily made biocompatible. Here we provide an overview of the various approaches developed for magnetic labeling and detection as applied to biosensing. We illustrate the challenges to integrating one such approach into a complete sensing system with a more detailed discussion of the compact Bead Array Sensor System developed at the U.S. Naval Research Laboratory, the first system to use magnetic labels and microchip-based detection.