磁性異質結構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，磁性異質結構在界面處會出現一系列新的物理、化學、電學等性質，這些性質與單個材料本身有所不同。通過在磁性材料表面上設計和制備特定的異質結構，就可改變其表界面性能，用以滿足不同領域功能化的需求。因此，磁性異質結構逐漸成為愈多不同領域科研人員研究的熱點。

近期，劍橋大學卡文迪許實驗室的Russell Cowburn團隊設計了一種基于生物抗體靶向作用的可編碼磁性異質結，能快速識別早期腎癌。磁性異質結構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物。該成果以《Lithographically de?ned encoded magnetic heterostructures for the targeted screening of kidney cancer》為題發表在Nanoscale Advances上。該異質結構捕獲的特異性檢測抗體可以通過發射熒光來突出以便于更好的觀測。研究指出，磁性異質結構具有特異性捕獲抗體的功能，將患者尿液樣本中的目標物質與特異性檢測抗體結合后會發射熒光，可以被有效的檢測到。借助該異質結構分子識別能力和嵌入式圖案代碼，就能實現對腎細胞癌的快速識別。

圖1  磁性異質結構用于腎癌細胞篩選標記示意圖

本文中，作者使用了英國Durham公司的磁光克爾效應系統-NanoMOKE3對用于捕獲特異性檢測抗體的磁性異質結構進行了磁滯回線測量，獲得的磁矩信號結果表明該異質結構被磁化。在熒光觀測試驗中，通過外加磁場可使被磁化的磁性異質結構旋轉到特定角度，以達到優的熒光觀測條件，便于直觀和清晰的觀測。

圖2 異質結構的的磁性表征圖 （a）磁性異質結構平整狀態下的顯微鏡圖；（b）磁性異質結構磁滯回線測量；（c）磁性異質結構在外部磁場作用下旋轉示意圖；（d）通過外部磁場作用來定向磁性異質結構的熒光顯微鏡觀測圖

英國Durham公司是依托于英國Durham大學的高科技企業。與Durham大學強大的磁光學研究相對應，Durham公司的Russell Cowburn教授（英國劍橋大學卡文迪許實驗室主任，英國科學院院士，也是本文提到的文獻作者）設計并研發了靈敏度能到10^-12 emu且兼具動態磁疇觀測的高精度磁光克爾效應系統——NanoMOKE3。同時，系統還兼具Kerr顯微鏡與回線測量功能。相比于歷代MOKE系統，NanoMOKE3系統將磁光克爾的光路部分集成在光學盒中，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，光學盒中的光路經過特殊設計，可以同時實現極向克爾和縱向克爾的測量，無需調整光路，只需更換鏡片即可完成極向克爾和縱向克爾的切換。

NanoMOKE3磁光克爾效應系統	NanoMOKE3光學集成盒

因其高集成度的系統設計和開放式的樣品環境，NanoMOKE3具備豐富的拓展性。實驗人員可以以NanoMOKE3系統為基礎，與其他實驗設備組合搭建，進行其他領域方面的測量。

一、低溫磁光克爾系統

NanoMOKE3系統允許用戶在樣品臺部分搭建低溫恒溫器，實現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行了組合使用，從而實現了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外領域內具有高的水平。此低溫MOKE方案已在南方科技大學、中科院化學所安裝使用。

NanoMOKE3 磁光克爾系統與 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

如今，越來越多的晶圓檢測設備采用非接觸式的光學測量，取代了傳統的接觸式晶圓測試方法。其中，以磁光克爾效應原理進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公司在現有磁光克爾系統基礎上改造升級，推出了超高靈敏度的晶圓掃描探測系統（wafer mapper），專門用于測量整個晶圓表面的磁滯回線和磁疇圖像。系統中集成的磁光克爾能對整個晶圓樣品區域（可按X和Y軸自由移動）進行磁滯回線掃描和區域Mapping的測量，最終繪制得到晶圓樣品整體區域的磁性分布圖，從而完成晶圓樣品的檢測。該款晶圓掃描探測系統選用NanoMOKE3特創的光學盒，繼承了其測量速度快，操作簡單的優點。整個測量過程可以通過系統自帶的LX PRO3軟件完成，無需進行繁瑣的實驗預設值，大大增加了實驗效率。

晶圓掃描探測系統裝配圖

Durham公司特創的NanoMOKE3磁光克爾光學集成盒是Cowburn教授從事MOKE系統研發和深耕多年的結晶。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為基礎，為更豐富領域的測量提供了可能，有望助力各個領域科研人員實現更高水平的突破！

參考文獻：

[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).