Спиновые биосенсоры представляют собой устройства, использующие спиновые свойства электронов для детектирования биологически значимых молекул или процессов. В отличие от традиционных электрохимических или оптических сенсоров, спиновые сенсоры опираются на эффекты спин-поляризации, спинового тока и магнитного отклика, что обеспечивает высокую чувствительность и селективность.
Ключевой принцип работы основан на изменении спинового состояния проводников или ферромагнитных материалов под воздействием биологических событий, например, связывания белка с антителом, изменения концентрации ионов или появления ферромагнитных наночастиц.
Спин-поляризация — это соотношение числа электронов с параллельным и антипараллельным спином относительно определённой оси. В спиновых биосенсорах изменение спин-поляризации может служить индикатором биохимических взаимодействий.
Гигантский магнитосопротививный эффект (GMR) и туннельный магнитосопротививный эффект (TMR) применяются для регистрации магнитных меток, присоединённых к биомолекулам.
Эти эффекты позволяют обнаруживать даже единичные магнитные наночастицы, привязанные к целевым биомолекулам.
Магнитно-чувствительные спиновые сенсоры (GMR, TMR) Используются для детектирования магнитных наночастиц, функционализированных специфическими биомолекулами. Включают многослойные структуры с высоким уровнем спиновой поляризации.
Электронные спиновые сенсоры (Spin Valve) Состоят из двух ферромагнитных слоёв, разделённых немагнитным проводником. Один слой фиксирован, другой свободен для магнитной ориентации. Связывание биомолекул с магнитными метками изменяет локальное магнитное поле, что отражается в сопротивлении.
Опто-спиновые сенсоры Используют взаимодействие спинов электронов с фотонным полем. При связывании биомолекул изменяется спиновая декогеренция, которая детектируется оптическими методами (например, через изменение поляризации излучения).
Наноразмерные спиновые сенсоры (NV-центры в алмазе) Центры вакансий азота в алмазе демонстрируют спиновую чувствительность к магнитным полям на уровне отдельных молекул. Позволяют регистрировать биохимические реакции с высокой пространственной разрешающей способностью.
1. Магнитная маркировка биомолекул: Биомолекулы, ковалентно присоединённые к магнитным наночастицам (Fe₃O₄, CoFe₂O₄), создают локальное магнитное поле. Изменение магнитного поля вблизи спинового сенсора изменяет сопротивление или спиновый ток.
2. Спиновая инжекция: При контакте с ферромагнитным электродом происходит инжекция спин-поляризованных электронов в проводник. Связывание биомолекул с поверхностью изменяет параметры туннелирования или проводимости, что регистрируется как сигнал.
3. Влияние на спиновую релаксацию: Биохимические события могут изменять локальную декогеренцию спинов. В NV-центрах это проявляется в изменении времени релаксации T1 и T2, что используется для количественного анализа концентрации молекул.