表征兩個(gè)不同工作范圍的雙感測系統電感式生物傳感器

　　1.前言

　　業(yè)界對高敏感度、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。這些要求對于醫療、食品、制藥、臨床等應用領(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別事件轉換成電信號并輸出。生物識別事件是通過(guò)一個(gè)涉及使用適合的標記法的生物過(guò)程，來(lái)識別分析物(抗原或DNA序列)與其特定識別元件(抗體或寡核苷酸)之間發(fā)生的特定生物事件。標記物可以是磁性、放射性、酶、熒光、電化或電介質(zhì)物質(zhì)。應根據特定應用的功能選擇適合的標記物。

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

　　通過(guò)選用適合的標記法，可直接量化磁珠數量，無(wú)需再為獲取可測量的信號而執行其它操作?，F有多種不同的磁珠感測方法，例如，磁阻傳感器[4]、微機械懸臂裝置 [5]、超導量子干涉儀[6]、自旋閥[7]、霍爾探針[8]、磁通門(mén)磁力計[9-11]。另一種感測方法是把樣品置于線(xiàn)圈內或附近，線(xiàn)圈同時(shí)還兼作致動(dòng)器和傳感器。微射流系統是線(xiàn)圈被用作致動(dòng)器的例子[12]:在微射流系統的通道中，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)影響初級線(xiàn)圈磁場(chǎng)的空間分布，這樣，可以使用一個(gè)次級線(xiàn)圈感測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線(xiàn)圈電感。使用線(xiàn)圈充當感測結構有一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)，即關(guān)系到能否實(shí)現集成結構。與宏觀(guān)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)驗的試劑成本。高集成度還為開(kāi)發(fā)更復雜的感測系統帶來(lái)一個(gè)有趣的觀(guān)點(diǎn)，例如，可同時(shí)感測多個(gè)物種的傳感器陣列。

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

　　如前文所述，因為與感受器鏈接的磁性顆粒的存在,電感方法可通過(guò)測量線(xiàn)圈電感的變化來(lái)識別目標分子。

　　可用多種方法測量電感變化。在參考文獻[13]中，作者提論述了如何利用相關(guān)設計、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)阻抗分析儀測量電感。為提高傳感器對磁性顆粒存在的敏感度，在線(xiàn)圈區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。這項成果是參考文獻[21]的傳感器在參考文獻[22]的仿真結果基礎上進(jìn)化的結果。準確地講，該傳感器架構經(jīng)過(guò)優(yōu)化設計，主要考慮次級線(xiàn)圈相對于初級線(xiàn)圈中心的位置、線(xiàn)寬和線(xiàn)的間隔。此外，我們還開(kāi)發(fā)一個(gè)新的信號調理產(chǎn)品，使傳感器響應性能高于參考文獻[21]描述的傳感器，因為存在兩個(gè)感測系統，可完全表征兩個(gè)不同的工作區，本文以下章節給予詳細介紹。

　　本文主要內容如下：下一章即第二章介紹傳感器工作原理以及布局設計和制造技術(shù);一套驗證磁特性的實(shí)驗方法。第三章先是簡(jiǎn)要介紹信號調理電子元件和所用磁珠，然后介紹并探討集成雙感測系統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)初級線(xiàn)圈和兩對次級線(xiàn)圈組成，構成兩個(gè)不同的感測系統，如圖1所示。在每個(gè)感測系統內，兩個(gè)次級線(xiàn)圈的繞線(xiàn)方向相反，以差分方式相連。在每對次級線(xiàn)圈中，只有一個(gè)線(xiàn)圈對磁性顆粒敏感;另一個(gè)線(xiàn)圈可去除變壓器總輸出中的寄生效應。初級線(xiàn)圈由交流信號驅動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)與所有次級線(xiàn)圈相關(guān)的磁場(chǎng)。

　　圖1.生物傳感器結構示意圖：黑色部分是初級線(xiàn)圈;綠色部分是大感測系統;紅色部分是小感測系統。

　　在每個(gè)感測系統中，因為感測線(xiàn)圈繞線(xiàn)方向相反,初級線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)在次級線(xiàn)圈上感應出的兩個(gè)電壓大小相等但極性相反; 因此，當不存在磁性顆粒時(shí)，兩個(gè)輸出信號的電壓差值為零。 如前文所述，在每個(gè)感測系統內，磁性顆粒只置于其中一個(gè)線(xiàn)圈(工作線(xiàn)圈)上;另一個(gè)線(xiàn)圈充當“替身”，用于去除常見(jiàn)干擾輸入。當磁性顆粒置于工作線(xiàn)圈上時(shí)，磁通量線(xiàn)將會(huì )重新分布，并產(chǎn)生一個(gè)非零的輸出電壓。

　　2.2.傳感器設計和制造工藝

　　很多化學(xué)反應需要考慮溫度，因為大多數化學(xué)反應規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)結構(在一個(gè)區域內確定統一的溫度或恒定的梯度)和熱控制結構(精確控制溫度)。根據參考文獻[23]介紹的制造工藝，我們采用硅技術(shù)制造生物傳感器。更詳細地講，第一個(gè)金屬層用于制造加熱器和熱阻，兩個(gè)熱結構都經(jīng)過(guò)測試。用一個(gè)6V直流信號驅動(dòng)加熱器，溫度可達100°C以上;溫度傳感器可精確測量加熱器溫度。第二個(gè)金屬層用于制造初級線(xiàn)圈;第三個(gè)金屬層用于制造兩個(gè)感測系統(次級大線(xiàn)圈和次級小線(xiàn)圈)。圖2所示是兩個(gè)不同的傳感器芯片版圖，一個(gè)有熱結構，另一個(gè)沒(méi)有熱結構。根據參考文獻[23]描述的程序，我們對溫度感測和熱致動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗表征。本文討論無(wú)熱結構生物傳感器的表征。

　　a)　 b)

　　圖2：兩個(gè)不同的生物傳感器芯片版圖; 圖a：傳感器(紅色和藍色)和熱結構(青色); 圖b，無(wú)熱結構傳感器

　　電感值主要與線(xiàn)圈材質(zhì)和設計有關(guān);同樣地，磁場(chǎng)也與線(xiàn)圈設計有關(guān)。既然傳感器行為與幾何學(xué)參數緊密相關(guān)，為找到盡可能最好的配置，我們設計并制造了八個(gè)不同的傳感器版圖。這些芯片版圖擁有相同的線(xiàn)圈匝數、線(xiàn)寬和間隔。這八個(gè)傳感器分別叫做1B、2B、…8B。按照參考文獻[22]列出的仿真結果，我們?yōu)樗袀鞲衅?8B除外)選定了線(xiàn)寬和間隔，以及次級大小線(xiàn)圈的位置。表1列出每個(gè)傳感器的幾何參數。為避免環(huán)境噪聲，設計一個(gè)外部接地保護環(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的磁耦合檢測配置：用幅值恒定變頻正弦信號驅動(dòng)初級線(xiàn)圈，在1MHz-20MHz范圍內調節信號頻率，同時(shí)記錄次級大線(xiàn)圈的輸出信號。

　　圖4：初級線(xiàn)圈和次級線(xiàn)圈磁耦合效應電子測試方法

　　圖5是測試結果。不難發(fā)現，次級大線(xiàn)圈的信號幅值與諧振頻率大約15MHz的頻率是函數關(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關(guān)系的行為特性。用圖4的電子測量方法獲取信號

　　因為磁耦合與設計參數呈函數關(guān)系，例如，初級線(xiàn)圈匝數和次級線(xiàn)圈匝數，為表征磁耦合，我們做了一系列測量實(shí)驗。

　　幾何參數與電參數的關(guān)系見(jiàn)方程式1。

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

　　次級大小線(xiàn)圈的磁耦合效應經(jīng)過(guò)檢查。圖6給出了次級大線(xiàn)圈的測量結果。根據方程式(1)，輸出信號幅值隨一次級線(xiàn)圈匝數增加而升高。更詳細地講，如果次級線(xiàn)圈匝數固定(圖中的Ns)，輸出信號幅度隨初級線(xiàn)圈匝數增加而升高，反之亦然。兩個(gè)次級線(xiàn)圈理論上完全相同，但是還是有細微差別存在。因此，從不存在磁性物質(zhì)的零開(kāi)始，輸出電壓就出現不同的數值，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，共用同一拓撲的傳感器的失調電壓值都是恒定值(例如，所有的1B傳感器的失調電壓都相同)。這個(gè)問(wèn)題容易解決，例如，將兩個(gè)拓撲相同的傳感器緊靠在一起，并計算輸信號電壓的差值。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驅動(dòng)初級線(xiàn)圈時(shí)的次級大線(xiàn)圈的輸出電壓。

　　次級小線(xiàn)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線(xiàn)圈匝數的函數關(guān)系特性。同樣，次級大線(xiàn)圈輸出信號電壓隨初級線(xiàn)圈匝數增加而升高。

　　圖7： 次級小線(xiàn)圈輸出電壓與初級線(xiàn)圈匝數保持函數關(guān)系