表征兩個(gè)不同工作范圍的雙感測(cè)系統(tǒng)電感式生物傳感器

　　1.前言

　　業(yè)界對(duì)高敏感度、高特異性、低成本、易攜帶的生物傳感器的研發(fā)興趣有增無(wú)減。這些要求對(duì)于醫(yī)療、食品、制藥、臨床等應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。高敏感度和高特異性是生物傳感器的核心要素，通過(guò)整合適合的變送方法與適合的生物過(guò)程，例如，免疫分析法和/或核酸雜交，可以實(shí)現(xiàn)高敏感度和高特異性。生物傳感器概念的核心是把特定生物識(shí)別事件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并輸出。生物識(shí)別事件是通過(guò)一個(gè)涉及使用適合的標(biāo)記法的生物過(guò)程，來(lái)識(shí)別分析物(抗原或DNA序列)與其特定識(shí)別元件(抗體或寡核苷酸)之間發(fā)生的特定生物事件。標(biāo)記物可以是磁性、放射性、酶、熒光、電化或電介質(zhì)物質(zhì)。應(yīng)根據(jù)特定應(yīng)用的功能選擇適合的標(biāo)記物。

　　在這種情況下，使用磁性顆粒作為免疫分析法的標(biāo)記物(夾心式免疫分析法和競(jìng)爭(zhēng)性免疫分析法均使用這種方法[3])有潛在優(yōu)勢(shì)，這與其極高的穩(wěn)定性、低成本、無(wú)毒、易感測(cè)有關(guān)。

　　通過(guò)選用適合的標(biāo)記法，可直接量化磁珠數(shù)量，無(wú)需再為獲取可測(cè)量的信號(hào)而執(zhí)行其它操作?，F(xiàn)有多種不同的磁珠感測(cè)方法，例如，磁阻傳感器[4]、微機(jī)械懸臂裝置 [5]、超導(dǎo)量子干涉儀[6]、自旋閥[7]、霍爾探針[8]、磁通門磁力計(jì)[9-11]。另一種感測(cè)方法是把樣品置于線圈內(nèi)或附近，線圈同時(shí)還兼作致動(dòng)器和傳感器。微射流系統(tǒng)是線圈被用作致動(dòng)器的例子[12]:在微射流系統(tǒng)的通道中，電感器用于分離磁性顆粒上固定化的生物分子。

　　一個(gè)新方法是使用磁珠進(jìn)行量化，利用磁珠磁芯來(lái)影響初級(jí)線圈磁場(chǎng)的空間分布，這樣，可以使用一個(gè)次級(jí)線圈感測(cè)與磁性顆粒鏈接的生物分子。事實(shí)上，樣品中磁性顆粒的存在可改變次級(jí)線圈電感。使用線圈充當(dāng)感測(cè)結(jié)構(gòu)有一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)，即關(guān)系到能否實(shí)現(xiàn)集成結(jié)構(gòu)。與宏觀電磁閥相比，采用硅技術(shù)集成電感元件有很多潛在優(yōu)點(diǎn)，其中包括與制造成本、產(chǎn)品良率和平面電感器件可再制性相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)。此外，產(chǎn)品尺寸最小化可以大幅降低被分析物質(zhì)的取樣量，降低每個(gè)分析實(shí)驗(yàn)的試劑成本。高集成度還為開(kāi)發(fā)更復(fù)雜的感測(cè)系統(tǒng)帶來(lái)一個(gè)有趣的觀點(diǎn)，例如，可同時(shí)感測(cè)多個(gè)物種的傳感器陣列。

　　這種磁性生物傳感器的感測(cè)敏感度完全取決于感受器(抗體)與目標(biāo)分子(抗原)的親和性、線圈參數(shù)、感測(cè)電路的穩(wěn)定性，最重要地是，磁性顆粒的特征。

　　如前文所述，因?yàn)榕c感受器鏈接的磁性顆粒的存在,電感方法可通過(guò)測(cè)量線圈電感的變化來(lái)識(shí)別目標(biāo)分子。

　　可用多種方法測(cè)量電感變化。在參考文獻(xiàn)[13]中，作者提論述了如何利用相關(guān)設(shè)計(jì)、有限元素法仿真和采用硅技術(shù)制造集成電感元件來(lái)提高傳感器的敏感度。該方法是用一個(gè)阻抗分析儀測(cè)量電感。為提高傳感器對(duì)磁性顆粒存在的敏感度，在線圈區(qū)域的襯底背面局部沉積一個(gè)磁層。

　　本文討論一個(gè)新的電感生物傳感器。這項(xiàng)成果是參考文獻(xiàn)[21]的傳感器在參考文獻(xiàn)[22]的仿真結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)化的結(jié)果。準(zhǔn)確地講，該傳感器架構(gòu)經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要考慮次級(jí)線圈相對(duì)于初級(jí)線圈中心的位置、線寬和線的間隔。此外，我們還開(kāi)發(fā)一個(gè)新的信號(hào)調(diào)理產(chǎn)品，使傳感器響應(yīng)性能高于參考文獻(xiàn)[21]描述的傳感器，因?yàn)榇嬖趦蓚€(gè)感測(cè)系統(tǒng)，可完全表征兩個(gè)不同的工作區(qū)，本文以下章節(jié)給予詳細(xì)介紹。

　　本文主要內(nèi)容如下：下一章即第二章介紹傳感器工作原理以及布局設(shè)計(jì)和制造技術(shù);一套驗(yàn)證磁特性的實(shí)驗(yàn)方法。第三章先是簡(jiǎn)要介紹信號(hào)調(diào)理電子元件和所用磁珠，然后介紹并探討集成雙感測(cè)系統(tǒng)的生物傳感器的全面表征功能。

　　2.電感式生物傳感器

　　2.1.工作原理

　　該生物傳感器由一個(gè)初級(jí)線圈和兩對(duì)次級(jí)線圈組成，構(gòu)成兩個(gè)不同的感測(cè)系統(tǒng)，如圖1所示。在每個(gè)感測(cè)系統(tǒng)內(nèi)，兩個(gè)次級(jí)線圈的繞線方向相反，以差分方式相連。在每對(duì)次級(jí)線圈中，只有一個(gè)線圈對(duì)磁性顆粒敏感;另一個(gè)線圈可去除變壓器總輸出中的寄生效應(yīng)。初級(jí)線圈由交流信號(hào)驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)與所有次級(jí)線圈相關(guān)的磁場(chǎng)。

　　圖1.生物傳感器結(jié)構(gòu)示意圖：黑色部分是初級(jí)線圈;綠色部分是大感測(cè)系統(tǒng);紅色部分是小感測(cè)系統(tǒng)。

　　在每個(gè)感測(cè)系統(tǒng)中，因?yàn)楦袦y(cè)線圈繞線方向相反,初級(jí)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)在次級(jí)線圈上感應(yīng)出的兩個(gè)電壓大小相等但極性相反; 因此，當(dāng)不存在磁性顆粒時(shí)，兩個(gè)輸出信號(hào)的電壓差值為零。 如前文所述，在每個(gè)感測(cè)系統(tǒng)內(nèi)，磁性顆粒只置于其中一個(gè)線圈(工作線圈)上;另一個(gè)線圈充當(dāng)“替身”，用于去除常見(jiàn)干擾輸入。當(dāng)磁性顆粒置于工作線圈上時(shí)，磁通量線將會(huì)重新分布，并產(chǎn)生一個(gè)非零的輸出電壓。

　　2.2.傳感器設(shè)計(jì)和制造工藝

　　很多化學(xué)反應(yīng)需要考慮溫度，因?yàn)榇蠖鄶?shù)化學(xué)反應(yīng)規(guī)則需要特定溫度或溫度循環(huán)。為開(kāi)發(fā)一個(gè)適合多種應(yīng)用的生物傳感器，需要在傳感器芯片版圖上整合熱致動(dòng)結(jié)構(gòu)(在一個(gè)區(qū)域內(nèi)確定統(tǒng)一的溫度或恒定的梯度)和熱控制結(jié)構(gòu)(精確控制溫度)。根據(jù)參考文獻(xiàn)[23]介紹的制造工藝，我們采用硅技術(shù)制造生物傳感器。更詳細(xì)地講，第一個(gè)金屬層用于制造加熱器和熱阻，兩個(gè)熱結(jié)構(gòu)都經(jīng)過(guò)測(cè)試。用一個(gè)6V直流信號(hào)驅(qū)動(dòng)加熱器，溫度可達(dá)100°C以上;溫度傳感器可精確測(cè)量加熱器溫度。第二個(gè)金屬層用于制造初級(jí)線圈;第三個(gè)金屬層用于制造兩個(gè)感測(cè)系統(tǒng)(次級(jí)大線圈和次級(jí)小線圈)。圖2所示是兩個(gè)不同的傳感器芯片版圖，一個(gè)有熱結(jié)構(gòu)，另一個(gè)沒(méi)有熱結(jié)構(gòu)。根據(jù)參考文獻(xiàn)[23]描述的程序，我們對(duì)溫度感測(cè)和熱致動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)表征。本文討論無(wú)熱結(jié)構(gòu)生物傳感器的表征。

　　a)　 b)

　　圖2：兩個(gè)不同的生物傳感器芯片版圖; 圖a：傳感器(紅色和藍(lán)色)和熱結(jié)構(gòu)(青色); 圖b，無(wú)熱結(jié)構(gòu)傳感器

　　電感值主要與線圈材質(zhì)和設(shè)計(jì)有關(guān);同樣地，磁場(chǎng)也與線圈設(shè)計(jì)有關(guān)。既然傳感器行為與幾何學(xué)參數(shù)緊密相關(guān)，為找到盡可能最好的配置，我們?cè)O(shè)計(jì)并制造了八個(gè)不同的傳感器版圖。這些芯片版圖擁有相同的線圈匝數(shù)、線寬和間隔。這八個(gè)傳感器分別叫做1B、2B、…8B。按照參考文獻(xiàn)[22]列出的仿真結(jié)果，我們?yōu)樗袀鞲衅?8B除外)選定了線寬和間隔，以及次級(jí)大小線圈的位置。表1列出每個(gè)傳感器的幾何參數(shù)。為避免環(huán)境噪聲，設(shè)計(jì)一個(gè)外部接地保護(hù)環(huán)路。

　　圖3所示是傳感器5B。

　　圖3：在光學(xué)顯微鏡下的傳感器5B

　　2.3.磁耦合

　　為確定最好的工作頻率，我們采用了圖4的磁耦合檢測(cè)配置：用幅值恒定變頻正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng)初級(jí)線圈，在1MHz-20MHz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)信號(hào)頻率，同時(shí)記錄次級(jí)大線圈的輸出信號(hào)。

　　圖4：初級(jí)線圈和次級(jí)線圈磁耦合效應(yīng)電子測(cè)試方法

　　圖5是測(cè)試結(jié)果。不難發(fā)現(xiàn)，次級(jí)大線圈的信號(hào)幅值與諧振頻率大約15MHz的頻率是函數(shù)關(guān)系。傳感器表征選用這個(gè)頻率。

　　圖5：傳感器輸出與頻率呈函數(shù)關(guān)系的行為特性。用圖4的電子測(cè)量方法獲取信號(hào)

　　因?yàn)榇篷詈吓c設(shè)計(jì)參數(shù)呈函數(shù)關(guān)系，例如，初級(jí)線圈匝數(shù)和次級(jí)線圈匝數(shù)，為表征磁耦合，我們做了一系列測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

　　幾何參數(shù)與電參數(shù)的關(guān)系見(jiàn)方程式1。

　　其中，N1和N2 表示初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的匝數(shù);R1和R2分別是初級(jí)線圈和次級(jí)線圈的電阻;i1 是初級(jí)線圈的電流;L’2 是次級(jí)工作線圈的電感，而ΔL 是磁性物質(zhì)出現(xiàn)導(dǎo)致工作線圈的電感變化。

　　次級(jí)大小線圈的磁耦合效應(yīng)經(jīng)過(guò)檢查。圖6給出了次級(jí)大線圈的測(cè)量結(jié)果。根據(jù)方程式(1)，輸出信號(hào)幅值隨一次級(jí)線圈匝數(shù)增加而升高。更詳細(xì)地講，如果次級(jí)線圈匝數(shù)固定(圖中的Ns)，輸出信號(hào)幅度隨初級(jí)線圈匝數(shù)增加而升高，反之亦然。兩個(gè)次級(jí)線圈理論上完全相同，但是還是有細(xì)微差別存在。因此，從不存在磁性物質(zhì)的零開(kāi)始，輸出電壓就出現(xiàn)不同的數(shù)值，不過(guò)，電壓值大約只有幾毫伏。這個(gè)問(wèn)題放在下一章討論，共用同一拓?fù)涞膫鞲衅鞯氖д{(diào)電壓值都是恒定值(例如，所有的1B傳感器的失調(diào)電壓都相同)。這個(gè)問(wèn)題容易解決，例如，將兩個(gè)拓?fù)湎嗤膫鞲衅骶o靠在一起，并計(jì)算輸信號(hào)電壓的差值。在這種情況下，顯然只有一個(gè)傳感器是工作傳感器。

　　圖6：用恒幅恒頻的正弦信號(hào)驅(qū)動(dòng)初級(jí)線圈時(shí)的次級(jí)大線圈的輸出電壓。

　　次級(jí)小線圈是5匝。圖7描述了表1列出的每個(gè)傳感器的輸出電壓與初級(jí)線圈匝數(shù)的函數(shù)關(guān)系特性。同樣，次級(jí)大線圈輸出信號(hào)電壓隨初級(jí)線圈匝數(shù)增加而升高。

　　圖7： 次級(jí)小線圈輸出電壓與初級(jí)線圈匝數(shù)保持函數(shù)關(guān)系