ИСТИНА

Создание магнитных биосенсоров (МБС), интегрируемых в лаборатории на чипе и технологии планарной микроэлектроники, микрофлюидики, сенсорики и позволяющих проводить комплексную in vitro диагностику меченых магнитными наночастицами (МНЧ) биологических маркеров, с низким пределом обнаружения.

The need for early and accurate diagnosis of various diseases requires the creation of personalized medical devices for in vitro tests. The result is the development of a “laboratory on a chip” – a miniature device that replaces various large-sized and expensive medical equipment and can be used in portable self-diagnostic devices with the ability to transmit data for telemedicine. A current trend is the development and further integration of magnetic biosensors (MBS) into microfluidic laboratories on a chip. The operating principle of MBS is based on the detection of cells or biomolecules labeled with magnetic nanoparticles (MNPs) using magnetic field sensors. The advantages of such sensors are their speed, noise immunity, low cost and energy consumption, high sensitivity, biocompatibility and the ability to integrate several sensors for selective analysis. Currently, the work to reduce the minimal detectable concentrations of cells and biomolecules using MBS is underway. Significant success in this direction has been achieved through application of modern lithographic technologies, but they are multi-stage and quite expensive. This project proposes the use of relatively simple and inexpensive single-stage laser micro- and nanostructuring technologies: direct laser writing of the surface relief on a sensor element, laser micromagnetic structuring without concomitant surface damage, and liquid-phase laser synthesis of MNPs for magnetic labelling. The project is aimed at studying the complex application of laser structuring technologies to the development of the sensors operating on the giant magnetoresistance (GMR) effect, including realization of magnetic tags and implementation of a full Wheatstone bridge circuit, for which it is planned to solve the following problems: 1. Femtosecond laser 3D surface modulation of a magnetic GMR sensor based on multilayer structures of the Si/Ta/F/NM/F/AF/Ta type (where F is a ferromagnet – NiFe, CoFe or ferrimagnet CoFeGd, AF is an antiferromagnet – IrMn, FeMn, NM is a non-magnetic Cu layer), consisting of laser-induced periodic surface structures (LIPSS) generation to create relief and local magnetic fields that facilitate capture and retention of the particles on the sensor surface. 2. Liquid-phase laser synthesis of chemically pure MNPs (FeO·Fe2O3, Fe2O3, CoхFe1-х etc.) colloids via the ablation of thin magnetic films and bulk targets to variate MNPs sizes and compositions and select the optimal particle-sensor pair. 3. Femtosecond laser annealing of GMR structures in a magnetic field for local exchange bias direction switching, which is necessary to implement the optimal configuration of the full Wheatstone bridge circuit, providing maximum sensitivity of the magnetic sensor. 4. Femtosecond laser structuring of MBS without concomitant relief modulation to produce a micromagnetic structure facilitating MNPs capture. The absence of work on the LIPSS and micromagnetic structures formation in magnetic sensor elements, along with the need to approbate the MNPs liquid-phase laser synthesis and femtosecond laser annealing methods for the declared MBSs configurations ensure the novelty of the proposed study. Based on the results of the project, it is planned to present laboratory samples of the MBS bridge circuit, manufactured with the listed technologies of laser micro- and nanostructuring, the results of MBS testing and recommendations for their use in practice and in further research. The results obtained in the project are to be universal and can be applied not only to GMR biosensors, but also to other planar magnetic biosensors, and will be of interest for fundamental research in the field of laser radiation interaction with magnetic materials.

Коллектив авторов проекта имеет уникальный опыт применения лазерных технологий для микро- и наноструктурирования твердых тел; исследования их структурных, оптических и магнитных свойств с целью использования в приложениях биомедицины, сенсорики, фотоники и хранения данных.

1. Многослойные тонкопленочные Ф/АФ структуры Si/Ta/Ф/АФ/Ta различного состава (Ф – NiFe, CoFe, CoFeGd, АФ – IrMn, FeMn) с ЛИППС, созданными на поверхности кремниевых подложек или непосредственно на поверхности многослойной структуры с помощью фемтосекундного лазерного излучения и характеризующимися различными периодами, глубинами и ориентациями относительно приложенного при изготовлении образцов внешнего магнитного поля. 2. Данные о составе, кристалличности, морфологии (ориентация, период и глубина рельефа ЛИППС), микромагнитной структуре поверхности, магнитных свойствах (величины коэрцитивности и обменного смещения, динамика намагниченности и др.) Ф/АФ структур с ЛИППС. Корреляция магнитных свойств образцов различного состава с морфологией ЛИППС, параметрами облучения (число, энергия и длина волны лазерных импульсов) и взаимной ориентацией ЛИППС и направления магнитного поля, приложенного при осаждении образца. Отбор оптимальных образцов с точки зрения сформированного периодического рельефа, структурных и магнитных свойств для осаждения на них МНЧ и создания спин-диодного сенсорного элемента. 3. Взвеси МНЧ, изготовленные методом пикосекундной лазерной абляции объемных и тонкопленочных мишеней Fe, FexCo1-x, Co/Fe в различных жидкостях (вода, ацетон, этанол). 4. Данные о составе, кристалличности, морфологии, распределении по размерам и магнитных свойствах (величины коэрцитивности и намагниченности насыщения) МНЧ. Отобранные оптимальные типы МНЧ с точки зрения размеров, морфологии, структурных и магнитных свойств для осаждения на сенсорный элемент. 5. Данные микроскопии высокого разрешения о распределении МНЧ с различными концентрациями на поверхности Ф/АФ структур Si/Ta/Ф/АФ/Ta с ЛИППС. Отобранные образцы, оптимальные для дальнейшего изготовления и тестирования МБС. 6. Результаты тестирования (зависимости электрического сопротивления от внешнего магнитного поля) спин-диодных сенсорных элементов Si/Ta/Ф/Cu/Ф/АФ/Ta (Ф – NiFe, CoFe, CoFeGd, АФ – IrMn, FeMn) с ЛИППС, сформированными на кремниевых подложках и непосредственно на поверхности сенсорного элемента при выбранных оптимальных технологических параметрах. Отобранные образцы, оптимальные с точки зрения осаждения на них МНЧ и дальнейшей интеграции в мостовую схему. 7. Зависимости электрического сопротивления от внешнего магнитного поля в исследуемых спин-диодных сенсорных элементах после локального лазерного нагрева (отжига) фемтосекундными лазерными импульсами, приводящего к переключению направления обменного смещения. Данные о лазерно-индуцированных изменениях микромагнитной структуры поверхности слоя CoFeGd, влияющих на удержание МНЧ на сенсоре. Отобранные образцы, оптимальные с точки зрения сформированного периодического рельефа, структурных и магнитных свойств для осаждения на них МНЧ и создания мостовой схемы МБС. 8. Дизайн-схемы МБС на основе отобранных ранее сенсорных элементов, параметров лазерного отжига и МНЧ. Лабораторные образцы мостовой схемы МБС, изготовленные с помощью технологий лазерного наноструктурирования (создания ЛИППС и МНЧ) и лазерного магнитного структурирования. Данные микроскопии высокого разрешения о распределении МНЧ с различными концентрациями на поверхности разработанных МБС. 9. Зависимости электрического сопротивления от внешнего магнитного поля для мостовой схемы МБС при различных концентрациях осажденных МНЧ. Итоговые рекомендации по использованию разработанных МБС и применяемых лазерных технологий на практике и в дальнейших исследованиях.