通过载流子掺杂调控的Janus YClBr单层的电子结构和磁性质

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Electronic structures and magnetic properties of Janus YClBr monolayer controlled by carrier doping

无序微丝GMI传感器通过微加工沟槽阵列配置和微流控集成，实现了大范围高灵敏度磁珠检测，分辨率达0.75nT，灵敏度5.997V/Oe，检测面积11×7mm2。

　　本文探讨了一种基于非晶微丝巨磁阻抗（GMI）传感器的磁珠检测系统，旨在解决传统非晶微丝传感器在生物检测应用中的局限性。非晶微丝因其对磁场的高灵敏度，被认为在磁珠生物检测领域具有重要潜力。然而，其柔韧的结构和异质性使得在微机电系统（MEMS）工艺中进行集成变得困难。此外，非晶微丝的检测区域相对较小，限制了其在生物检测中的应用效果。为克服这些限制，研究团队提出了一种新的磁珠检测系统，该系统利用非晶微丝GMI传感器，并通过微加工技术实现其在玻璃基板上的精确对齐和固定，同时采用阵列结构以扩展检测区域。此外，系统还集成了微流控技术，用于实时监测磁珠溶液，实现了高效、精准的生物检测。

磁珠因其优异的生物相容性、无接触操控能力和高效的靶标捕获能力，在生物检测领域得到了广泛应用。它们被用于免疫分析、核酸检测和细胞分选等多种应用中。当磁珠与高灵敏度磁传感器结合时，可以实现对生物分子的快速检测和动态过程监控，从而支持快速诊断和高通量分析。目前，用于生物检测的磁传感器技术包括霍尔传感器、磁通门传感器、隧道磁阻（TMR）传感器、超导量子干涉装置（SQUID）以及巨磁阻（GMR）传感器等。其中，GMI传感器因其高分辨率、快速响应和可微型化、集成化的潜力，成为生物检测研究的热点。

GMI效应最早由Panina和Mohri于1994年报道，描述了软磁材料在高频交流电激励下，其阻抗会随着外部磁场的变化而发生显著变化。这一现象源于皮肤效应和磁畴动力学的共同作用。当外部磁场施加时，材料的磁导率发生变化，从而影响皮肤深度，最终导致阻抗的改变。当磁化磁珠置于GMI传感器附近时，会产生漏磁场并扰动局部磁场分布。由于GMI传感器具有极高的灵敏度，这些微小扰动可以被检测到，从而实现高灵敏度的生物检测。

传统的GMI传感器通常采用非晶带材或薄膜作为磁芯材料，这些材料具有简单的结构和易于制造的特点。然而，非晶微丝因其极高的GMI效应，也常被用于制作高分辨率的磁传感器。非晶微丝的直径通常在几十微米量级，长度可达到几厘米，这种细长的结构使其在生物检测中具有独特的优势。然而，其柔韧性和几何形状也给标准微电子制造工艺带来了挑战，缺乏成熟的处理技术限制了其在微传感器中的应用。因此，开发适用于非晶微丝的微纳加工工艺，对于实现基于非晶微丝的GMI生物传感器的制造和微型化具有重要意义。

此外，非晶微丝的线性形态导致其检测区域相对较小，而带材和薄膜则因其较大的表面积而具有更宽的检测区域。这一特性限制了基于非晶微丝的生物传感器的检测性能。为解决这一问题，本文提出了一种基于非晶微丝阵列的磁珠检测系统，通过微加工技术在玻璃基板上制作微沟槽，实现对非晶微丝的精确对齐和固定。同时，通过在基板下方安装永磁体，为微丝提供稳定的磁力以确保其固定在沟槽中。阵列结构的采用有效扩展了传感器的有效检测区域，从而提高了整体检测性能。

在实验测试中，传感器的性能通过磁场所校准系统进行评估。为了测试传感器的线性度和灵敏度，将非晶微丝传感器置于磁屏蔽筒内，并通过电源提供±5?V的电压激励。传感器的输出电压则由数字万用表测量。实验结果表明，该传感器在±0.75?Oe的磁场范围内表现出高达99.97%的线性度，其灵敏度达到5.997?V/Oe，分辨率可达到0.75?nT。这些性能指标显示出该传感器在生物检测中的优异表现。

此外，通过将GMI传感器集成到微流控通道中，研究团队构建了一个实时检测系统，用于监测磁珠溶液。该系统能够对浓度范围在1至50?μg/mL的磁珠溶液进行有效检测，检测区域覆盖11?mm?×?7?mm。这一技术突破不仅提升了检测系统的灵敏度和精度，还实现了对磁珠溶液的实时监控，为生物检测提供了新的可能性。

本文的结构包括理论与原理、材料与表征、传感器性能测试以及结论等部分。理论部分详细阐述了非晶微丝在高频交流电激励下对磁场的响应机制，以及磁珠如何通过扰动局部磁场而被检测。材料部分介绍了非晶微丝的组成和制备过程，包括合金锭的合成、铸造、抛光等步骤。传感器性能测试部分展示了传感器在不同磁场条件下的响应特性，验证了其在生物检测中的可行性。结论部分总结了该磁珠检测系统的优势，并指出其在生物检测领域的应用前景。

该研究的创新点在于，通过微加工技术实现非晶微丝在玻璃基板上的精确对齐和固定，克服了传统非晶微丝在MEMS工艺中的集成难题。同时，采用阵列结构扩展了检测区域，提升了系统的整体性能。此外，将GMI传感器与微流控技术相结合，实现了对磁珠溶液的实时监测，为生物检测提供了更高效、更精准的解决方案。这些技术的结合不仅推动了非晶微丝在生物检测领域的应用，也为未来微传感器的发展提供了新的思路。

在实际应用中，该磁珠检测系统可以用于多种生物检测场景，如疾病诊断、环境监测和生物分子分析等。由于其高灵敏度和快速响应能力，该系统能够实时捕捉磁珠在磁场中的微小变化，从而提供准确的检测结果。此外，其模块化设计和可扩展性使得该系统适用于不同规模的检测需求，无论是单个样本还是批量检测，都能实现高效的性能表现。

本文的研究团队在该工作中发挥了重要作用，每位作者都贡献了不同的部分。Zepeng Wang负责撰写、修改、验证、监督、方法设计、数据管理和概念构建；Qianzhen Su、Jin Chen和Xiaolong Wen则参与了方法设计、实验调查和数据管理；Chao Zhang和Bo Zhang负责项目管理、实验调查、资金获取以及数据管理；Jianhua Li则参与了撰写、监督和审核工作。所有作者都确认了论文的原创性，并同意其发表顺序。此外，研究团队声明没有与本文相关的竞争性利益。

该研究的资助来自中国的国防工业技术发展计划（项目编号：JCKY2022110C013），这表明该技术在国防和安全领域的应用潜力。非晶微丝GMI传感器的开发不仅有助于提升生物检测的效率和精度，还可能在其他需要高灵敏度磁场检测的领域发挥重要作用，如磁存储、磁传感和材料研究等。

总体而言，本文提出了一种创新的磁珠检测系统，通过微加工技术实现非晶微丝的精确对齐和固定，并采用阵列结构扩展了检测区域。结合微流控技术，该系统能够实时监测磁珠溶液，具有较高的灵敏度和线性度，为生物检测提供了一种新的解决方案。研究团队的贡献和成果展示了该技术在实际应用中的可行性，并为其未来的推广和优化奠定了基础。