综述：生物医学应用的自旋电子器件
2024-07-07 23:24:18 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文重点探究并总结了GMR、MTJ和AMR生物传感器的生物医学应用。值得注意的是，自旋霍尔振荡器和自旋扭矩振荡器等较新的自旋电子器件，也已被提出用于生物医学用途。
过去三十年来，自旋电子器件吸引了极高的研究关注。与半导体不同，自旋电子器件依靠电子的本征自旋来编码和处理信息，与传统电子器件相比，能够提供新颖的功能和改进的性能。自旋电子器件示例包括磁性随机存取存储器（MRAM）、自旋晶体管、自旋滤波器、太赫兹发射器以及传感器等。在产业界，自旋电子器件在硬盘驱动器（HDD）和固态驱动器（SSD）等数据存储技术中发挥着至关重要的作用，提供了高速数据访问和非易失性存储功能。自旋电子器件还有助于开发用于通信系统精确时钟的自旋振荡器和用于下一代计算架构的自旋逻辑器件，有望在计算效率和性能方面取得重大进步。在生物医学领域，基于自旋电子器件的生物传感器已被用于诊断工具，以极高的精度检测生物分子以及分析DNA序列。
在迄今记录的众多自旋电子器件中，巨磁阻（GMR）、磁隧道结（MTJ）和各向异性磁阻（AMR）器件代表了最早的一代。它们经过了广泛的研究，提供了高性能、可重复性且坚固耐久。凭借经过验证的可靠性，它们已在生物医学和工业领域得到广泛应用。
据麦姆斯咨询介绍，美国得克萨斯理工大学（Texas Tech University）的研究人员在npj Spintronics期刊上发表了一篇题为“Spintronic devices for biomedical applications”的综述文章，重点探究并总结了GMR、MTJ和AMR生物传感器的生物医学应用。值得注意的是，自旋霍尔振荡器和自旋扭矩振荡器等较新的自旋电子器件，也已被提出用于生物医学用途。不过，由于文献有限、实验论证不充分以及关于其稳健性和可重复性的证据不足，研究人员未在这篇综述中讨论这些较新的自旋电子器件。
在这篇综述中，研究人员总览了当前流行的自旋电子器件的最新技术，特别聚焦了GMR、TMR和AMR器件，重点关注了它们在新兴生物医学技术领域的应用。论文总结了基于这些MR生物传感器的生物测定。首先总览了三种类型的巨磁阻结构，例如基于GMR的多层器件、基于GMR的自旋阀和颗粒GMR效应。随着柔性GMR传感器的新兴设计，论文还讨论了可打印设计，强调了其固有的多功能性，以及无缝集成到各种生物医学应用中的潜力。经过对GMR超过30年的研究、堆栈设计优化以及多种技术集成，基于GMR的技术与AMR相比表现出更高水平的探测能力，但仍低于MTJ提供的卓越探测能力，并且，基于GMR的器件相较于MTJ不太容易受到界面粗糙度和晶体缺陷的影响。在所有用于生物测定的MR传感器中，GMR脱颖而出成为首选，该综述展示了现有文献中的一些具有代表性的GMR生物测定成果。
柔性GMR器件
可打印GMR器件
心磁图（MCG）是一种非侵入性诊断工具，对于测量心脏电活动产生的生物磁场很重要，该综述强调了依赖SQUID的传统方法的局限性。在此背景下，基于GMR和MTJ的传感器成为有前景的替代品，其惠斯通电桥和MFC等创新结构提高了它们对超低磁场的片上检测能力。该综述还介绍了GMR和TMR传感器在神经信号记录中的应用，解决了捕获神经活动，特别是在单个神经元水平上的复杂挑战。全球有多个研究小组已使用专门设计的GMR和TMR传感器成功记录了神经元活动，凸显了它们在这一复杂应用中更高的灵敏度和相关性。
MTJ传感器在各种生物测定中的应用
利用MTJ传感器记录神经信号
尽管对AMR的认知早于GMR和TMR，但其有限的磁阻比限制了其作为磁力计的应用，特别是在以低生物磁场和磁性标签磁杂散场为特征的生物医学环境中。尽管最近通过结合NiCo和NiFe材料在提高AMR值方面取得了长足进步，但其灵敏度仍然明显低于基于GMR和MTJ的器件。不过，必须承认AMR在MR传感器发展初期的历史意义。
市场对面向定量生物测定、MCG和神经信号记录的高灵敏度磁场传感器的需求不断增长，推动了磁性生物传感器的持续发展。因此，随着这些器件的不断进步，在生物医学信号采集和解释方面有望达到前所未有的精度，将为诊断、监测并理解复杂的生理过程开辟新前沿。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s44306-024-00031-6
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