表征兩個不同工作范圍的雙感測系統(tǒng)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)興趣有增無減。這些要求對于醫(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，通過整合適合的變送方法與適合的生物過程，例如，免疫分析法和/或核酸雜交，可以實現(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別事件轉(zhuǎn)換成電信號并輸出。生物識別事件是通過一個涉及使用適合的標(biāo)記法的生物過程，來識別分析物(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(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(wěn)定性、低成本、無毒、易感測有關(guān)。

　　通過選用適合的標(biāo)記法，可直接量化磁珠數(shù)量，無需再為獲取可測量的信號而執(zhí)行其它操作?，F(xiàn)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(dǎo)量子干涉儀[6]、自旋閥[7]、霍爾探針[8]、磁通門磁力計[9-11]。另一種感測方法是把樣品置于線圈內(nèi)或附近，線圈同時還兼作致動器和傳感器。微射流系統(tǒng)是線圈被用作致動器的例子[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。

　　一個新方法是使用磁珠進行量化，利用磁珠磁芯來影響初級線圈磁場的空間分布，這樣，可以使用一個次級線圈感測與磁性顆粒鏈接的生物分子。事實上，樣品中磁性顆粒的存在可改變次級線圈電感。使用線圈充當(dāng)感測結(jié)構(gòu)有一個重要的優(yōu)點，即關(guān)系到能否實現(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，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。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，降低每個分析實驗的試劑成本。高集成度還為開發(fā)更復(fù)雜的感測系統(tǒng)帶來一個有趣的觀點，例如，可同時感測多個物種的傳感器陣列。

　　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(biāo)分子(抗原)的親和性、線圈參數(shù)、感測電路的穩(wěn)定性，最重要地是，磁性顆粒的特征。

　　如前文所述，因為與感受器鏈接的磁性顆粒的存在,電感方法可通過測量線圈電感的變化來識別目標(biāo)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(shè)計、有限元素法仿真和采用硅技術(shù)制造集成電感元件來提高傳感器的敏感度。該方法是用一個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，在線圈區(qū)域的襯底背面局部沉積一個磁層。

　　本文討論一個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(jié)果基礎(chǔ)上進化的結(jié)果。準(zhǔn)確地講，該傳感器架構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，主要考慮次級線圈相對于初級線圈中心的位置、線寬和線的間隔。此外，我們還開發(fā)一個新的信號調(diào)理產(chǎn)品，使傳感器響應(yīng)性能高于參考文獻[21]描述的傳感器，因為存在兩個感測系統(tǒng)，可完全表征兩個不同的工作區(qū)，本文以下章節(jié)給予詳細介紹。

　　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)計和制造技術(shù);一套驗證磁特性的實驗方法。第三章先是簡要介紹信號調(diào)理電子元件和所用磁珠，然后介紹并探討集成雙感測系統(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初級線圈和兩對次級線圈組成，構(gòu)成兩個不同的感測系統(tǒng)，如圖1所示。在每個感測系統(tǒng)內(nèi)，兩個次級線圈的繞線方向相反，以差分方式相連。在每對次級線圈中，只有一個線圈對磁性顆粒敏感;另一個線圈可去除變壓器總輸出中的寄生效應(yīng)。初級線圈由交流信號驅(qū)動，產(chǎn)生一個與所有次級線圈相關(guān)的磁場。

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

　　在每個感測系統(tǒng)中，因為感測線圈繞線方向相反,初級線圈產(chǎn)生的磁場在次級線圈上感應(yīng)出的兩個電壓大小相等但極性相反; 因此，當(dāng)不存在磁性顆粒時，兩個輸出信號的電壓差值為零。 如前文所述，在每個感測系統(tǒng)內(nèi)，磁性顆粒只置于其中一個線圈(工作線圈)上;另一個線圈充當(dāng)“替身”，用于去除常見干擾輸入。當(dāng)磁性顆粒置于工作線圈上時，磁通量線將會重新分布，并產(chǎn)生一個非零的輸出電壓。

　　2.2.傳感器設(shè)計和制造工藝

　　很多化學(xué)反應(yīng)需要考慮溫度，因為大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)規(guī)則需要特定溫度或溫度循環(huán)。為開發(fā)一個適合多種應(yīng)用的生物傳感器，需要在傳感器芯片版圖上整合熱致動結(jié)構(gòu)(在一個區(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[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，第一個金屬層用于制造加熱器和熱阻，兩個熱結(jié)構(gòu)都經(jīng)過測試。用一個6V直流信號驅(qū)動加熱器，溫度可達100°C以上;溫度傳感器可精確測量加熱器溫度。第二個金屬層用于制造初級線圈;第三個金屬層用于制造兩個感測系統(tǒng)(次級大線圈和次級小線圈)。圖2所示是兩個不同的傳感器芯片版圖，一個有熱結(jié)構(gòu)，另一個沒有熱結(jié)構(gòu)。根據(jù)參考文獻[23]描述的程序，我們對溫度感測和熱致動進行了實驗表征。本文討論無熱結(jié)構(gòu)生物傳感器的表征。

　　a)　 b)

　　圖2：兩個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(jié)構(gòu)(青色); 圖b，無熱結(jié)構(gòu)傳感器

　　電感值主要與線圈材質(zhì)和設(shè)計有關(guān);同樣地，磁場也與線圈設(shè)計有關(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，我們設(shè)計并制造了八個不同的傳感器版圖。這些芯片版圖擁有相同的線圈匝數(shù)、線寬和間隔。這八個傳感器分別叫做1B、2B、…8B。按照參考文獻[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，以及次級大小線圈的位置。表1列出每個傳感器的幾何參數(shù)。為避免環(huán)境噪聲，設(shè)計一個外部接地保護環(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(qū)動初級線圈，在1MHz-20MHz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)信號頻率，同時記錄次級大線圈的輸出信號。

　　圖4：初級線圈和次級線圈磁耦合效應(yīng)電子測試方法

　　圖5是測試結(jié)果。不難發(fā)現(xiàn)，次級大線圈的信號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的電子測量方法獲取信號

　　因為磁耦合與設(shè)計參數(shù)呈函數(shù)關(guān)系，例如，初級線圈匝數(shù)和次級線圈匝數(shù)，為表征磁耦合，我們做了一系列測量實驗。

　　幾何參數(shù)與電參數(shù)的關(guān)系見方程式1。

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

　　次級大小線圈的磁耦合效應(yīng)經(jīng)過檢查。圖6給出了次級大線圈的測量結(jié)果。根據(jù)方程式(1)，輸出信號幅值隨一次級線圈匝數(shù)增加而升高。更詳細地講，如果次級線圈匝數(shù)固定(圖中的Ns)，輸出信號幅度隨初級線圈匝數(shù)增加而升高，反之亦然。兩個次級線圈理論上完全相同，但是還是有細微差別存在。因此，從不存在磁性物質(zhì)的零開始，輸出電壓就出現(xiàn)不同的數(shù)值，不過，電壓值大約只有幾毫伏。這個問題放在下一章討論，共用同一拓撲的傳感器的失調(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)。這個問題容易解決，例如，將兩個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，顯然只有一個傳感器是工作傳感器。

　　圖6：用恒幅恒頻的正弦信號驅(qū)動初級線圈時的次級大線圈的輸出電壓。

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

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