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

　　3.電感式生物傳感器

　　3.1.信號調理電子元件

　　為表征電感式生物傳感器，我們開(kāi)發(fā)出一個(gè)適合的信號調理電子元件。為使電流值恒定，避免線(xiàn)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，通過(guò)電壓-電流轉換器驅動(dòng)初級線(xiàn)圈。在退耦后，次級線(xiàn)圈信號經(jīng)非反相放大器放大，提供信號修整所需的振幅。為保證極性絕對為正，放大信號通過(guò)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性能。最后，用一個(gè)差分放大器對兩個(gè)被修整的信號進(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制

　　圖8 用于表征傳感器的信號調理電子元件

　　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記物對目標分子存在進(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(xiàn)圈上放置不同數量的磁性顆粒，輸出電壓測量值與磁性物質(zhì)的質(zhì)量是函數關(guān)系。采用ScreenMAG-Aminemagnetic particles (1 μm of radius) fromChemicell?熒光標記磁珠分離試劑。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?xiě)腋∫?，因此，每滴斑液含?.16ng磁珠。該濃度用于表征次級大線(xiàn)圈(在工作線(xiàn)圈上感測若干個(gè)液滴)，還可用于對次級小線(xiàn)圈進(jìn)行初步表征，以檢查小線(xiàn)圈是否能夠感測單個(gè)液滴?；谟么渭壭【€(xiàn)圈進(jìn)行初步表征取得的積極結果，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級無(wú)塵室內，用一臺有壓電尖(節流尺寸40 um)的Perkin Elmer檢測儀完成印刷過(guò)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次級工作大線(xiàn)圈上有12.5ng磁珠。

　　3.3.生物傳感器表征

　　兩個(gè)感測系統(次級大小線(xiàn)圈) 均使用磁珠來(lái)表征感測性能。在次級大線(xiàn)圈上，放置五種質(zhì)量的磁珠，并記錄相應的輸出電壓。

　　如前文所述，傳感器7B的次級小線(xiàn)圈初步表征是使用一滴第一種溶液(4.16 ng)。此外，在工作線(xiàn)圈上放置第二種稀釋溶液，以確定傳感器對濃度低于4.16 ng的磁珠是否反應。既然次級小線(xiàn)圈感測系統能夠測量低質(zhì)量磁珠，該傳感器可用于兩種配置：檢查特定目標分子是否存在，并通過(guò)小線(xiàn)圈信號量化質(zhì)量更小的目標分子，因為次級大線(xiàn)圈無(wú)法測量小質(zhì)量目標分子。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計共有兩個(gè)感測系統，因而產(chǎn)生兩個(gè)不同的工作磁場(chǎng)，但是，根據實(shí)際應用情況可能只選用其中一個(gè)感測系統。

　　圖10列出了在傳感器1B次級大線(xiàn)圈上重復測量的結果。結果顯示良好的再現性。圖10b所示是同一傳感器的時(shí)間穩定性測量結果。測量值集合1和測量值集合2的時(shí)間相隔大約1個(gè)月。

　　                                                                         a)                                                                                    b)

　　圖10a)在傳感器1B次級大線(xiàn)圈上進(jìn)行的傳感器重復性測試;b)在傳感器1B次級小線(xiàn)圈上進(jìn)行的傳感器時(shí)間穩定性測試;

　　如前文所述，在八種生物傳感器的表征實(shí)驗中，次級大小線(xiàn)圈均被測試。即使八種傳感器的響應性、分辨率、不確定性等參數都被測量，因為數據合成的原因，這里只能提供部分實(shí)驗性表征。圖11列出了在次級大線(xiàn)圈上取得的實(shí)驗數據以及誤差柱狀圖(@ 3sigma)，不難看出，輸出信號電壓隨著(zhù)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使用次級大線(xiàn)圈充當感測系統進(jìn)行的a)2B傳感器表征和b)3B傳感器表征實(shí)驗。

　　若磁珠質(zhì)量小(低于12ng)，則輸出信號幅值小，見(jiàn)圖12。圖12是圖11的感測低質(zhì)量磁珠時(shí)傳感器響應性的放大圖。在磁珠質(zhì)量小于12ng時(shí)，次級大線(xiàn)圈感測系統的響應性遠低于12ng以上時(shí)的響應速度，因此，12ng是一個(gè)感測門(mén)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，感測系統必須使用次級小線(xiàn)圈;次級大線(xiàn)圈用于磁珠質(zhì)量大于12.5ng的情況。然后，計算出次級大線(xiàn)圈感測系統的模型，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(xiàn)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大線(xiàn)圈充當感測系統時(shí)的響應性、分辨率和不確定性的數值。

　　除6B傳感器沒(méi)有次級小線(xiàn)圈外，其余的傳感器都有次級大線(xiàn)圈和小線(xiàn)圈。為表征次級小線(xiàn)圈感測系統，開(kāi)始只能放置一滴磁珠溶液，因為一滴就能覆蓋整個(gè)工作區。圖15描述了傳感器的部分行為特性(實(shí)驗數據以及誤差柱狀圖(@ 3sigma)。

　　                                                                          a)　                                                                     b)

　　圖14 通過(guò)小線(xiàn)圈感測系統進(jìn)行的傳感器表征;a)2B傳感器; b)7B傳感器。

　　圖14表明，次級小線(xiàn)圈能夠發(fā)現并測量質(zhì)量太小而次級大線(xiàn)圈無(wú)法測量的磁珠。另一方面，次級小線(xiàn)圈工作面小，少量的磁珠就能占滿(mǎn)全部工作區，使其趨于飽和，故不能測量大質(zhì)量磁珠。為表征次級小線(xiàn)圈與磁珠質(zhì)量保持函數關(guān)系的行為特性，如前文所述，實(shí)驗采用了多種不同質(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(jiàn)圖15。

　　圖15：傳感器7B次級小線(xiàn)圈的行為特性與磁珠溶液的質(zhì)量成函數關(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(藍色)比較。

　　表3列出了八種傳感器使用次級小線(xiàn)圈充當感測系統時(shí)的響應性和分辨率數值。

　　通過(guò)比較表2和表3所列數值，可以確定，當磁珠質(zhì)量小時(shí)，必須使用次級小線(xiàn)圈，因為它具有高響應性和高分辨率。另一方面，當磁珠質(zhì)量大時(shí)，次級大線(xiàn)圈是最佳的感測解決方案。

　　4.16ng(即次級小線(xiàn)圈的最大檢測值)和12.5ng(即次級大線(xiàn)圈的最小檢測值)之間是中間帶。在這個(gè)范圍內，如果使用次級小線(xiàn)圈，傳感器線(xiàn)性不好;如果使用次級大線(xiàn)圈感測，傳感器響應性不好，考慮到這兩點(diǎn)，不妨將兩個(gè)感測系統同時(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與工作范圍呈函數關(guān)系的行為特性;b) 圖17的放大圖，突出顯示中間帶。

　　4.結論

　　本文介紹了一個(gè)電感式生物傳感器。該傳感器能夠將特定生物識別事件轉換成電信號并輸出，這里的生物識別事件是通過(guò)一個(gè)涉及使用磁性標記物的過(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。因為熱致動(dòng)和感測的存在，傳感器可用于多種生物識別應用，例如，DNA雜交、蛋白質(zhì)測量等。設計優(yōu)化和兩個(gè)不同的感測子系統(小線(xiàn)圈和大線(xiàn)圈)使該傳感器取得廣泛的動(dòng)態(tài)范圍，強化了生物應用功能。下一步工作是提高傳感器的響應性，在線(xiàn)圈區的襯底背后沉積磁層，以此提高傳感器的敏感度。