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。現(xiàn)有多種不同的磁珠感測方法,，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[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(jìn)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(xiàn)[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(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(xiàn)[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(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(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(dá)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(xiàn)[23]描述的程序,，我們對溫度感測和熱致動進(jìn)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(lán)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(xiàn)[22]列出的仿真結(jié)果,，我們?yōu)樗袀鞲衅鳎?B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(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(xì)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(xì)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?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),。這個問題容易解決,，例如，將兩個拓?fù)湎嗤膫鞲衅骶o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

　　3.電感式生物傳感器

　　3.1.信號調(diào)理電子元件

　　為表征電感式生物傳感器,，我們開發(fā)出一個適合的信號調(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,，通過電壓-電流轉(zhuǎn)換器驅(qū)動初級線圈,。在退耦后,，次級線圈信號經(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，用一個差分放大器對兩個被修整的信號進(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(jī)制

　　圖8 用于表征傳感器的信號調(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大線圈(在工作線圈上感測若干個液滴),，還可用于對次級小線圈進(jìn)行初步表征，以檢查小線圈是否能夠感測單個液滴,?；谟么渭壭【€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級無塵室內(nèi),，用一臺有壓電尖(節(jié)流尺寸40 um)的Perkin Elmer檢測儀完成印刷過程。

　　圖9 所示是覆蓋在傳感器8B上的磁性顆粒,。

　　圖9：傳感器8B次級工作大線圈上有12.5ng磁珠,。

　　3.3.生物傳感器表征

　　兩個感測系統(tǒng)(次級大小線圈) 均使用磁珠來表征感測性能。在次級大線圈上,，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,，以確定傳感器對濃度低于4.16 ng的磁珠是否反應(yīng),。既然次級小線圈感測系統(tǒng)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(biāo)分子是否存在,，并通過小線圈信號量化質(zhì)量更小的目標(biāo)分子,，因為次級大線圈無法測量小質(zhì)量目標(biāo)分子,。傳感器能夠耐受兩個不同的工作磁場。本文提出的傳感器設(shè)計共有兩個感測系統(tǒng),，因而產(chǎn)生兩個不同的工作磁場,，但是，根據(jù)實際應(yīng)用情況可能只選用其中一個感測系統(tǒng),。

　　圖10列出了在傳感器1B次級大線圈上重復(fù)測量的結(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間穩(wěn)定性測量結(jié)果,。測量值集合1和測量值集合2的時間相隔大約1個月,。

　                   　a)                                        b)

　　圖10a)在傳感器1B次級大線圈上進(jìn)行的傳感器重復(fù)性測試；b)在傳感器1B次級小線圈上進(jìn)行的傳感器時間穩(wěn)定性測試,；

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

　　                  a)                                           b)

　　圖11使用次級大線圈充當(dāng)感測系統(tǒng)進(jìn)行的a)2B傳感器表征和b)3B傳感器表征實驗,。

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

　　                      a)                                     b)

　　圖12：磁珠質(zhì)量低于12.5ng時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(tǒng)必須使用次級小線圈,；次級大線圈用于磁珠質(zhì)量大于12.5ng的情況,。然后,，計算出次級大線圈感測系統(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大線圈充當(dāng)感測系統(tǒng)時的響應(yīng)性,、分辨率和不確定性的數(shù)值,。

　　除6B傳感器沒有次級小線圈外，其余的傳感器都有次級大線圈和小線圈,。為表征次級小線圈感測系統(tǒng),，開始只能放置一滴磁珠溶液，因為一滴就能覆蓋整個工作區(qū),。圖15描述了傳感器的部分行為特性（實驗數(shù)據(jù)以及誤差柱狀圖(@ 3sigma),。

　                    　a)　                                    b)

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

　　圖14表明,，次級小線圈能夠發(fā)現(xiàn)并測量質(zhì)量太小而次級大線圈無法測量的磁珠。另一方面,，次級小線圈工作面小,，少量的磁珠就能占滿全部工作區(qū)，使其趨于飽和,，故不能測量大質(zhì)量磁珠,。為表征次級小線圈與磁珠質(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，其行為特性見圖15,。

　　圖15：傳感器7B次級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)量取多個不同值的情況，即考慮到了圖15上的點,。從圖中不難看出,，該模型與只考慮一個磁珠質(zhì)量(即考慮圖15b的行為特性)時構(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的兩個點(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小線圈充當(dāng)感測系統(tǒng)時的響應(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,，必須使用次級小線圈，因為它具有高響應(yīng)性和高分辨率,。另一方面,，當(dāng)磁珠質(zhì)量大時，次級大線圈是最佳的感測解決方案,。

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

　　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

　　本文介紹了一個電感式生物傳感器,。該傳感器能夠?qū)⑻囟ㄉ镒R別事件轉(zhuǎn)換成電信號并輸出，這里的生物識別事件是通過一個涉及使用磁性標(biāo)記物的過程,，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,。因為熱致動和感測的存在，傳感器可用于多種生物識別應(yīng)用,，例如,，DNA雜交、蛋白質(zhì)測量等,。設(shè)計優(yōu)化和兩個不同的感測子系統(tǒng)（小線圈和大線圈）使該傳感器取得廣泛的動態(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。