磁性異質(zhì)結(jié)構(gòu)是由兩種或兩種以上不同材料組成的磁性材料。在磁場作用下，磁性異質(zhì)結(jié)構(gòu)在界面處會出現(xiàn)一系列新的物理、化學(xué)、電學(xué)等性質(zhì)，這些性質(zhì)與單個材料本身有所不同。通過在磁性材料表面上設(shè)計和制備特定的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，就可改變其表界面性能，用以滿足不同領(lǐng)域功能化的需求。因此，磁性異質(zhì)結(jié)構(gòu)逐漸成為愈多不同領(lǐng)域科研人員研究的熱點。

近期，劍橋大學(xué)卡文迪許實驗室的Russell Cowburn團(tuán)隊設(shè)計了一種基于生物抗體靶向作用的可編碼磁性異質(zhì)結(jié)，能快速識別早期腎癌。磁性異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有特異性捕獲抗體功能，可從尿液樣本中提取感興趣的目標(biāo)物。該成果以《Lithographically de?ned encoded magnetic heterostructures for the targeted screening of kidney cancer》為題發(fā)表在Nanoscale Advances上。該異質(zhì)結(jié)構(gòu)捕獲的特異性檢測抗體可以通過發(fā)射熒光來突出以便于更好的觀測。研究指出，磁性異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有特異性捕獲抗體的功能，將患者尿液樣本中的目標(biāo)物質(zhì)與特異性檢測抗體結(jié)合后會發(fā)射熒光，可以被有效的檢測到。借助該異質(zhì)結(jié)構(gòu)分子識別能力和嵌入式圖案代碼，就能實現(xiàn)對腎細(xì)胞癌的快速識別。

圖1  磁性異質(zhì)結(jié)構(gòu)用于腎癌細(xì)胞篩選標(biāo)記示意圖

本文中，作者使用了英國Durham公司的磁光克爾效應(yīng)系統(tǒng)-NanoMOKE3對用于捕獲特異性檢測抗體的磁性異質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了磁滯回線測量，獲得的磁矩信號結(jié)果表明該異質(zhì)結(jié)構(gòu)被磁化。在熒光觀測試驗中，通過外加磁場可使被磁化的磁性異質(zhì)結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)到特定角度，以達(dá)到優(yōu)的熒光觀測條件，便于直觀和清晰的觀測。

圖2 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的的磁性表征圖 （a）磁性異質(zhì)結(jié)構(gòu)平整狀態(tài)下的顯微鏡圖；（b）磁性異質(zhì)結(jié)構(gòu)磁滯回線測量；（c）磁性異質(zhì)結(jié)構(gòu)在外部磁場作用下旋轉(zhuǎn)示意圖；（d）通過外部磁場作用來定向磁性異質(zhì)結(jié)構(gòu)的熒光顯微鏡觀測圖

英國Durham公司是依托于英國Durham大學(xué)的高科技企業(yè)。與Durham大學(xué)強(qiáng)大的磁光學(xué)研究相對應(yīng)，Durham公司的Russell Cowburn教授（英國劍橋大學(xué)卡文迪許實驗室主任，英國科學(xué)院院士，也是本文提到的文獻(xiàn)作者）設(shè)計并研發(fā)了靈敏度能到10^-12 emu且兼具動態(tài)磁疇觀測的高精度磁光克爾效應(yīng)系統(tǒng)——NanoMOKE3。同時，系統(tǒng)還兼具Kerr顯微鏡與回線測量功能。相比于歷代MOKE系統(tǒng)，NanoMOKE3系統(tǒng)將磁光克爾的光路部分集成在光學(xué)盒中，避免了實驗人員測試前搭建光路的工作，大大減少了實驗人員操作量。另外，光學(xué)盒中的光路經(jīng)過特殊設(shè)計，可以同時實現(xiàn)極向克爾和縱向克爾的測量，無需調(diào)整光路，只需更換鏡片即可完成極向克爾和縱向克爾的切換。

NanoMOKE3磁光克爾效應(yīng)系統(tǒng)	NanoMOKE3光學(xué)集成盒

因其高集成度的系統(tǒng)設(shè)計和開放式的樣品環(huán)境，NanoMOKE3具備豐富的拓展性。實驗人員可以以NanoMOKE3系統(tǒng)為基礎(chǔ)，與其他實驗設(shè)備組合搭建，進(jìn)行其他領(lǐng)域方面的測量。

一、低溫磁光克爾系統(tǒng)

NanoMOKE3系統(tǒng)允許用戶在樣品臺部分搭建低溫恒溫器，實現(xiàn)低溫磁光克爾的測量。例如，下圖所示為NanoMOKE3與美國Montana Instrument無液氦低溫恒溫器進(jìn)行了組合使用，從而實現(xiàn)了10K以下的磁光克爾測量。NanoMOKE3的低溫磁光克爾測量性能在國內(nèi)外領(lǐng)域內(nèi)具有高的水平。此低溫MOKE方案已在南方科技大學(xué)、中科院化學(xué)所安裝使用。

NanoMOKE3 磁光克爾系統(tǒng)與 Montana Instrument無液氦低溫恒溫器組合使用示意圖

二、晶圓掃描探測系統(tǒng)

如今，越來越多的晶圓檢測設(shè)備采用非接觸式的光學(xué)測量，取代了傳統(tǒng)的接觸式晶圓測試方法。其中，以磁光克爾效應(yīng)原理進(jìn)行晶圓檢測的方法就因其操作簡單、檢測速度快而被廣泛使用。

Durham公司在現(xiàn)有磁光克爾系統(tǒng)基礎(chǔ)上改造升級，推出了超高靈敏度的晶圓掃描探測系統(tǒng)（wafer mapper），專門用于測量整個晶圓表面的磁滯回線和磁疇圖像。系統(tǒng)中集成的磁光克爾能對整個晶圓樣品區(qū)域（可按X和Y軸自由移動）進(jìn)行磁滯回線掃描和區(qū)域Mapping的測量，最終繪制得到晶圓樣品整體區(qū)域的磁性分布圖，從而完成晶圓樣品的檢測。該款晶圓掃描探測系統(tǒng)選用NanoMOKE3特創(chuàng)的光學(xué)盒，繼承了其測量速度快，操作簡單的優(yōu)點。整個測量過程可以通過系統(tǒng)自帶的LX PRO3軟件完成，無需進(jìn)行繁瑣的實驗預(yù)設(shè)值，大大增加了實驗效率。

晶圓掃描探測系統(tǒng)裝配圖

Durham公司特創(chuàng)的NanoMOKE3磁光克爾光學(xué)集成盒是Cowburn教授從事MOKE系統(tǒng)研發(fā)和深耕多年的結(jié)晶。不但減輕了實驗人員的操作繁瑣度，更重要的是以磁光克爾效應(yīng)為基礎(chǔ)，為更豐富領(lǐng)域的測量提供了可能，有望助力各個領(lǐng)域科研人員實現(xiàn)更高水平的突破！

參考文獻(xiàn)：

[1]. Selma, L P., Tarun, V., Russell P, C.et al. Lithographically defined encoded magnetic heterostructures for the targeted screening of kidney cancer. Nanoscale Advances6,276 (2024).