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

　　3.電感式生物傳感器

　　3.1.信號(hào)調(diào)理電子元件

　　為表征電感式生物傳感器，我們開發(fā)出一個(gè)適合的信號(hào)調(diào)理電子元件。為使電流值恒定，避免線圈電阻或電感變化引起峰流，我們采用振幅5Vpp、頻率15MHz的正弦信號(hào)，通過電壓-電流轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)初級(jí)線圈。在退耦后，次級(jí)線圈信號(hào)經(jīng)非反相放大器放大，提供信號(hào)修整所需的振幅。為保證極性絕對(duì)為正，放大信號(hào)通過鉗位電路升壓，然后被修正;使用鉗位電路可取得更高的響應(yīng)性能。最后，用一個(gè)差分放大器對(duì)兩個(gè)被修整的信號(hào)進(jìn)行放大和去除處理。圖8所示是上面討論的電子元件的機(jī)制

　　圖8 用于表征傳感器的信號(hào)調(diào)理電子元件

　　3.2.磁珠

　　如前文所述，本文所討論的電子元件是用于采用磁性標(biāo)記物對(duì)目標(biāo)分子存在進(jìn)行量化的生物傳感器。為表征生物傳感器的性能，需要在生物傳感器的工作線圈上放置不同數(shù)量的磁性顆粒，輸出電壓測(cè)量值與磁性物質(zhì)的質(zhì)量是函數(shù)關(guān)系。采用ScreenMAG-Aminemagnetic particles (1 μm of radius) fromChemicell?熒光標(biāo)記磁珠分離試劑。用水性印刷緩沖液(含有150 mM Na2HPO4, 0.001%的pH值為9.2的甘油)稀釋懸浮液，因此，每滴斑液含有4.16ng磁珠。該濃度用于表征次級(jí)大線圈(在工作線圈上感測(cè)若干個(gè)液滴)，還可用于對(duì)次級(jí)小線圈進(jìn)行初步表征，以檢查小線圈是否能夠感測(cè)單個(gè)液滴?；谟么渭?jí)小線圈進(jìn)行初步表征取得的積極結(jié)果，我們選擇在傳感器7B上放置使用較稀的磁性溶液取得的0.416ng-4.16ng不同質(zhì)量的磁珠，在溫濕度可控的1000級(jí)無(wú)塵室內(nèi)，用一臺(tái)有壓電尖(節(jié)流尺寸40 um)的Perkin Elmer檢測(cè)儀完成印刷過程。

　　圖9 所示是覆蓋在傳感器8B上的磁性顆粒。

　　圖9：傳感器8B次級(jí)工作大線圈上有12.5ng磁珠。

　　3.3.生物傳感器表征

　　兩個(gè)感測(cè)系統(tǒng)(次級(jí)大小線圈) 均使用磁珠來(lái)表征感測(cè)性能。在次級(jí)大線圈上，放置五種質(zhì)量的磁珠，并記錄相應(yīng)的輸出電壓。

　　如前文所述，傳感器7B的次級(jí)小線圈初步表征是使用一滴第一種溶液(4.16 ng)。此外，在工作線圈上放置第二種稀釋溶液，以確定傳感器對(duì)濃度低于4.16 ng的磁珠是否反應(yīng)。既然次級(jí)小線圈感測(cè)系統(tǒng)能夠測(cè)量低質(zhì)量磁珠，該傳感器可用于兩種配置：檢查特定目標(biāo)分子是否存在，并通過小線圈信號(hào)量化質(zhì)量更小的目標(biāo)分子，因?yàn)榇渭?jí)大線圈無(wú)法測(cè)量小質(zhì)量目標(biāo)分子。傳感器能夠耐受兩個(gè)不同的工作磁場(chǎng)。本文提出的傳感器設(shè)計(jì)共有兩個(gè)感測(cè)系統(tǒng)，因而產(chǎn)生兩個(gè)不同的工作磁場(chǎng)，但是，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況可能只選用其中一個(gè)感測(cè)系統(tǒng)。

　　圖10列出了在傳感器1B次級(jí)大線圈上重復(fù)測(cè)量的結(jié)果。結(jié)果顯示良好的再現(xiàn)性。圖10b所示是同一傳感器的時(shí)間穩(wěn)定性測(cè)量結(jié)果。測(cè)量值集合1和測(cè)量值集合2的時(shí)間相隔大約1個(gè)月。

　　                                                                         a)                                                                                    b)

　　圖10a)在傳感器1B次級(jí)大線圈上進(jìn)行的傳感器重復(fù)性測(cè)試;b)在傳感器1B次級(jí)小線圈上進(jìn)行的傳感器時(shí)間穩(wěn)定性測(cè)試;

　　如前文所述，在八種生物傳感器的表征實(shí)驗(yàn)中，次級(jí)大小線圈均被測(cè)試。即使八種傳感器的響應(yīng)性、分辨率、不確定性等參數(shù)都被測(cè)量，因?yàn)閿?shù)據(jù)合成的原因，這里只能提供部分實(shí)驗(yàn)性表征。圖11列出了在次級(jí)大線圈上取得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及誤差柱狀圖(@ 3sigma)，不難看出，輸出信號(hào)電壓隨著磁珠質(zhì)量增加而升高。本圖只描述了2B和3B兩個(gè)傳感器的行為特性。

　　                                                                          a)                                                                                b)

　　圖11使用次級(jí)大線圈充當(dāng)感測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行的a)2B傳感器表征和b)3B傳感器表征實(shí)驗(yàn)。

　　若磁珠質(zhì)量小(低于12ng)，則輸出信號(hào)幅值小，見圖12。圖12是圖11的感測(cè)低質(zhì)量磁珠時(shí)傳感器響應(yīng)性的放大圖。在磁珠質(zhì)量小于12ng時(shí)，次級(jí)大線圈感測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)性遠(yuǎn)低于12ng以上時(shí)的響應(yīng)速度，因此，12ng是一個(gè)感測(cè)門限值。

　　                                                                                  a)                                                                           b)

　　圖12：磁珠質(zhì)量低于12.5ng時(shí)的輸出行為特性的放大圖。a)傳感器2B的放大圖;b)傳感器3B的放大圖

　　因此，在12.5ng以下工作范圍，感測(cè)系統(tǒng)必須使用次級(jí)小線圈;次級(jí)大線圈用于磁珠質(zhì)量大于12.5ng的情況。然后，計(jì)算出次級(jí)大線圈感測(cè)系統(tǒng)的模型，不包括磁珠質(zhì)量小于12.5的情況。圖13所示是2B和3B傳感器的線性模型以及不確定性范圍;圖中還有模型方程式。

　　                                                                                a)                                                                         b)

　　圖13 a)傳感器2B的模型;b)傳感器3B的模型，都附有模型方程。

　　表2列出了八種傳感器使用次級(jí)大線圈充當(dāng)感測(cè)系統(tǒng)時(shí)的響應(yīng)性、分辨率和不確定性的數(shù)值。

　　除6B傳感器沒有次級(jí)小線圈外，其余的傳感器都有次級(jí)大線圈和小線圈。為表征次級(jí)小線圈感測(cè)系統(tǒng)，開始只能放置一滴磁珠溶液，因?yàn)橐坏尉湍芨采w整個(gè)工作區(qū)。圖15描述了傳感器的部分行為特性(實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及誤差柱狀圖(@ 3sigma)。

　　                                                                          a)　                                                                     b)

　　圖14 通過小線圈感測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行的傳感器表征;a)2B傳感器; b)7B傳感器。

　　圖14表明，次級(jí)小線圈能夠發(fā)現(xiàn)并測(cè)量質(zhì)量太小而次級(jí)大線圈無(wú)法測(cè)量的磁珠。另一方面，次級(jí)小線圈工作面小，少量的磁珠就能占滿全部工作區(qū)，使其趨于飽和，故不能測(cè)量大質(zhì)量磁珠。為表征次級(jí)小線圈與磁珠質(zhì)量保持函數(shù)關(guān)系的行為特性，如前文所述，實(shí)驗(yàn)采用了多種不同質(zhì)量的稀溶液，只有傳感器7B采用了四種質(zhì)量的磁珠，其行為特性見圖15。

　　圖15：傳感器7B次級(jí)小線圈的行為特性與磁珠溶液的質(zhì)量成函數(shù)關(guān)系

　　圖16是傳感器7B的模型，考慮到了磁珠溶液質(zhì)量取多個(gè)不同值的情況，即考慮到了圖15上的點(diǎn)。從圖中不難看出，該模型與只考慮一個(gè)磁珠質(zhì)量(即考慮圖15b的行為特性)時(shí)構(gòu)建的模型非常相似。

　　                                                                            a)                                                                            b)

　　圖16a) 考慮到圖15中的行為特性取得的傳感器7B的模型;b)考慮到圖14b的兩個(gè)點(diǎn)(0和1.16ng)創(chuàng)建的模型(黑色)與 圖16a的模型(藍(lán)色)比較。

　　表3列出了八種傳感器使用次級(jí)小線圈充當(dāng)感測(cè)系統(tǒng)時(shí)的響應(yīng)性和分辨率數(shù)值。

　　通過比較表2和表3所列數(shù)值，可以確定，當(dāng)磁珠質(zhì)量小時(shí)，必須使用次級(jí)小線圈，因?yàn)樗哂懈唔憫?yīng)性和高分辨率。另一方面，當(dāng)磁珠質(zhì)量大時(shí)，次級(jí)大線圈是最佳的感測(cè)解決方案。

　　4.16ng(即次級(jí)小線圈的最大檢測(cè)值)和12.5ng(即次級(jí)大線圈的最小檢測(cè)值)之間是中間帶。在這個(gè)范圍內(nèi)，如果使用次級(jí)小線圈，傳感器線性不好;如果使用次級(jí)大線圈感測(cè)，傳感器響應(yīng)性不好，考慮到這兩點(diǎn)，不妨將兩個(gè)感測(cè)系統(tǒng)同時(shí)使用。

　　圖17所示是該行為特性。

　　                                                                a)                                                                                        b)

　　圖17 a)描述了傳感器7B與工作范圍呈函數(shù)關(guān)系的行為特性;b) 圖17的放大圖，突出顯示中間帶。

　　4.結(jié)論

　　本文介紹了一個(gè)電感式生物傳感器。該傳感器能夠?qū)⑻囟ㄉ镒R(shí)別事件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并輸出，這里的生物識(shí)別事件是通過一個(gè)涉及使用磁性標(biāo)記物的過程，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。因?yàn)闊嶂聞?dòng)和感測(cè)的存在，傳感器可用于多種生物識(shí)別應(yīng)用，例如，DNA雜交、蛋白質(zhì)測(cè)量等。設(shè)計(jì)優(yōu)化和兩個(gè)不同的感測(cè)子系統(tǒng)(小線圈和大線圈)使該傳感器取得廣泛的動(dòng)態(tài)范圍，強(qiáng)化了生物應(yīng)用功能。下一步工作是提高傳感器的響應(yīng)性，在線圈區(qū)的襯底背后沉積磁層，以此提高傳感器的敏感度。