基于GMR传感器阵列的生物检测研究
图4(b)是David R．Baselt等设计制备的含66个GMR单元的传感器阵列(BARCⅢ)，分为8个反应区，每区8个单元，可进行多路检测。其单元呈圆形，直径为200μm，由长8 mm宽1．6μm的电阻蛇形蜿蜒而成。
通常，整个GMR生物检测系统由微流部分、GMR阵列、驱动部分、分析处理部分组成。为了减少外界环境对传感器输出稳定性的影响，传感器单元往往与参考单元一起组成惠斯通电桥。如图5所示，GMR电阻对组成惠斯通半桥，其中一个电阻表面覆盖软磁性屏蔽层，不受外加磁场的影响；另一个电阻作为应变电阻，在GMR效应作用下，阻值随外加磁场变化，导致电桥输出微伏级的差分电压值，输出的电压经过过滤、放大等处理后，再输送到后端的采集检测设备，做进一步分析。
2005年，加利福尼亚大学物理系D．K．wood等人研制的亚微型新一代GMR生物传感器，可实现对小尺寸磁珠(直径200 nm)的探测，且灵敏度更高。虽然磁性生物检测系统取得一定的成绩，但距离实用化仍有很大的距离。
综合现有技术，提高磁性生物检测系统的性能，可以在传感器特性、磁性颗粒的选择以及外围电路的设计等方面进行改进。
3.1 传感器灵敏度
GMR传感器灵敏度是指其对微弱信号的感应能力。由于磁性标记体积非常小，所以产生的寄生磁场也非常微弱，因此必须选用灵敏度高的磁性材料制备传感器。衡量GMR性能的两个最基本参数是：
(1)在一定温度下所能达到的最大GMR值；
(2)获得最大GMR效应所需施加的饱和外磁场强度。
在各种巨磁电阻材料中，多层膜和颗粒膜饱和磁场高达数特斯拉，其磁场灵敏度低；氧化物陶瓷类材料饱和场极高，难以实现实用化；自旋阀材料饱和磁场较低，仅为几个或几十奥斯特，但室温下GMR不高。因此，寻求GMR值高，饱和磁场低，磁场灵敏度高的合金体系或人工薄膜结构是GMR传感器生物检测实用化的难点和重点。
目前。从制作的难易程度、性能的稳定性等方面来考虑，传感器阵列多采用GMR多层膜耦合结构和自旋阀结构，随着研究工作的逐步深入，将来具有更高磁阻率的结构，如隧穿磁阻(TMR)、稀土氧化物、微晶或非晶软磁合金薄膜，以及利用巨磁阻抗效应(GMI)的高灵敏传感器，将在磁性生物阵列检测中得以应用。
3.2 磁性微粒的尺寸与磁性含量
在整个系统中，生物特异性反应通过磁性微粒的存在与数量来体现。目前采用的磁性颗粒(如γ一Fe2O3，Fe3O4，NiFe等)可分为微米级和亚微米级两类，较大的磁性颗粒(约1～3μm)在形状上比较容易实现统一，虽然磁性物质含量较低(约15％)，但相对较大的体积，磁性微粒在传感器表面产生的磁场分量仍然较大，另外，大体积也便于显微计数。其缺点是无法高密度地绑定在传感器表面，因此检测到的生物分子较少。纳米尺度的磁性颗粒具有很高的磁性含量(70％～80％)，但是由于制备工艺的限制，同一批次，其大小和形状都有较大差异，对定量分析非常不利。而且，体积小的纳米磁性颗粒容易快速簇集，导致输出的信号失真。但是，采用敏感度更高的传感器和更先进的检测分析系统，可以部分满足小体积磁性颗粒的应用要求，2005年，美国斯坦福大学Guanxi(mg Li等实验验证了当自旋阀传感器阵列尺寸与磁性颗粒尺寸(直径为16 nm的超顺磁Fe3O4颗粒)相近时，传感器输出信号与绑定的颗粒数量呈比较理想的正比关系，从而体现了采用小体积纳米磁性标记，自旋阀传感器阵列在生物检测中的定量分析能力。
3.3 传感器阵列的物理参数
GMR传感器合适的层厚可以保证两个磁性层反平行耦合，从而保证在没有外加磁场的情况下，设备处于高电阻值状态。另外，因为GMR传感器的电阻值主要取决于电子自旋散射，所以其层厚必须比大部分材料中电子的平均自由程(约几个纳米)小，典型的GMR磁性传感器的层厚大约是2～6 nm。
同时，采用与生物分子尺度相同的传感器(蛋白质、DNA、RNA和病毒等都在1～100 nm的尺度范围)，能够有效增加检测的灵敏度。目前，受制于制备的复杂性，减小传感器的尺寸仍然十分困难，国内研究机构应用传统的光学光刻技术，受光波波长和数值孔径等因素的限制，难以制作线宽小于100 nm的图案。然而更先进的极端远紫外光刻、电子束直写、离子投影光刻技术、X光光刻、电子束投影等技术虽然能克服上述限制，但系统复杂，造价十分昂贵。因而，基于传统光刻技术上改进的浸没式光刻系统、微接触印刷、纳米压印光刻等新的制备技术，将是基材表面批量获取纳米量级GMR传感器阵列中最具潜力的技术。
除传感器本身的物理参数外，GMR传感器对磁场的距离也非常敏感，磁性颗粒的寄生磁场随其与传感器敏感层的距离呈3阶衰减，所以，应尽量减小传感器与磁性标记之间的距离，以减少对传感器灵敏度的过高要求。但是，在实际检测中，为了防止传感器表面被生物溶液侵蚀和牢固结合生物探针，又必须在传感器表面覆盖保护层(7 nm。PEI／PMMA；1μm氮化硅)和生物结合层(金属材料、玻璃、石英或表面为氧化硅的硅片)。因此，超薄惰性材料和生物结合材料的发现与工艺的提高也是提高磁性生物检测系统性能必不可少的条件。