表征两个不同工作范围的双感测系统电感式生物传感器

　　1.前言

　　业界对高敏感度、高特异性、低成本、易携带的生物传感器的研发兴趣有增无减。这些要求对于医疗、食品、制药、临床等应用领域具有重要意义。高敏感度和高特异性是生物传感器的核心要素，通过整合适合的变送方法与适合的生物过程，例如，免疫分析法和/或核酸杂交，可以实现高敏感度和高特异性。生物传感器概念的核心是把特定生物识别事件转换成电信号并输出。生物识别事件是通过一个涉及使用适合的标记法的生物过程，来识别分析物(抗原或DNA序列)与其特定识别元件(抗体或寡核苷酸)之间发生的特定生物事件。标记物可以是磁性、放射性、酶、荧光、电化或电介质物质。应根据特定应用的功能选择适合的标记物。

　　在这种情况下，使用磁性颗粒作为免疫分析法的标记物(夹心式免疫分析法和竞争性免疫分析法均使用这种方法[3])有潜在优势，这与其极高的稳定性、低成本、无毒、易感测有关。

　　通过选用适合的标记法，可直接量化磁珠数量，无需再为获取可测量的信号而执行其它操作。现有多种不同的磁珠感测方法，例如，磁阻传感器[4]、微机械悬臂装置 [5]、超导量子干涉仪[6]、自旋阀[7]、霍尔探针[8]、磁通门磁力计[9-11]。另一种感测方法是把样品置于线圈内或附近，线圈同时还兼作致动器和传感器。微射流系统是线圈被用作致动器的例子[12]:在微射流系统的通道中，电感器用于分离磁性颗粒上固定化的生物分子。

　　一个新方法是使用磁珠进行量化，利用磁珠磁芯来影响初级线圈磁场的空间分布，这样，可以使用一个次级线圈感测与磁性颗粒链接的生物分子。事实上，样品中磁性颗粒的存在可改变次级线圈电感。使用线圈充当感测结构有一个重要的优点，即关系到能否实现集成结构。与宏观电磁阀相比，采用硅技术集成电感元件有很多潜在优点，其中包括与制造成本、产品良率和平面电感器件可再制性相关的优点。此外，产品尺寸最小化可以大幅降低被分析物质的取样量，降低每个分析实验的试剂成本。高集成度还为开发更复杂的感测系统带来一个有趣的观点，例如，可同时感测多个物种的传感器阵列。

　　这种磁性生物传感器的感测敏感度完全取决于感受器(抗体)与目标分子(抗原)的亲和性、线圈参数、感测电路的稳定性，最重要地是，磁性颗粒的特征。

　　如前文所述，因为与感受器链接的磁性颗粒的存在,电感方法可通过测量线圈电感的变化来识别目标分子。

　　可用多种方法测量电感变化。在参考文献[13]中，作者提论述了如何利用相关设计、有限元素法仿真和采用硅技术制造集成电感元件来提高传感器的敏感度。该方法是用一个阻抗分析仪测量电感。为提高传感器对磁性颗粒存在的敏感度，在线圈区域的衬底背面局部沉积一个磁层。

　　本文讨论一个新的电感生物传感器。这项成果是参考文献[21]的传感器在参考文献[22]的仿真结果基础上进化的结果。准确地讲，该传感器架构经过优化设计，主要考虑次级线圈相对于初级线圈中心的位置、线宽和线的间隔。此外，我们还开发一个新的信号调理产品，使传感器响应性能高于参考文献[21]描述的传感器，因为存在两个感测系统，可完全表征两个不同的工作区，本文以下章节给予详细介绍。

　　本文主要内容如下：下一章即第二章介绍传感器工作原理以及布局设计和制造技术;一套验证磁特性的实验方法。第三章先是简要介绍信号调理电子元件和所用磁珠，然后介绍并探讨集成双感测系统的生物传感器的全面表征功能。

　　2.电感式生物传感器

　　2.1.工作原理

　　该生物传感器由一个初级线圈和两对次级线圈组成，构成两个不同的感测系统，如图1所示。在每个感测系统内，两个次级线圈的绕线方向相反，以差分方式相连。在每对次级线圈中，只有一个线圈对磁性颗粒敏感;另一个线圈可去除变压器总输出中的寄生效应。初级线圈由交流信号驱动，产生一个与所有次级线圈相关的磁场。

　　图1.生物传感器结构示意图：黑色部分是初级线圈;绿色部分是大感测系统;红色部分是小感测系统。

　　在每个感测系统中，因为感测线圈绕线方向相反,初级线圈产生的磁场在次级线圈上感应出的两个电压大小相等但极性相反; 因此，当不存在磁性颗粒时，两个输出信号的电压差值为零。 如前文所述，在每个感测系统内，磁性颗粒只置于其中一个线圈(工作线圈)上;另一个线圈充当“替身”，用于去除常见干扰输入。当磁性颗粒置于工作线圈上时，磁通量线将会重新分布，并产生一个非零的输出电压。

　　2.2.传感器设计和制造工艺

　　很多化学反应需要考虑温度，因为大多数化学反应规则需要特定温度或温度循环。为开发一个适合多种应用的生物传感器，需要在传感器芯片版图上整合热致动结构(在一个区域内确定统一的温度或恒定的梯度)和热控制结构(精确控制温度)。根据参考文献[23]介绍的制造工艺，我们采用硅技术制造生物传感器。更详细地讲，第一个金属层用于制造加热器和热阻，两个热结构都经过测试。用一个6V直流信号驱动加热器，温度可达100°C以上;温度传感器可精确测量加热器温度。第二个金属层用于制造初级线圈;第三个金属层用于制造两个感测系统(次级大线圈和次级小线圈)。图2所示是两个不同的传感器芯片版图，一个有热结构，另一个没有热结构。根据参考文献[23]描述的程序，我们对温度感测和热致动进行了实验表征。本文讨论无热结构生物传感器的表征。

　　a)　 b)

　　图2：两个不同的生物传感器芯片版图; 图a：传感器(红色和蓝色)和热结构(青色); 图b，无热结构传感器

　　电感值主要与线圈材质和设计有关;同样地，磁场也与线圈设计有关。既然传感器行为与几何学参数紧密相关，为找到尽可能最好的配置，我们设计并制造了八个不同的传感器版图。这些芯片版图拥有相同的线圈匝数、线宽和间隔。这八个传感器分别叫做1B、2B、…8B。按照参考文献[22]列出的仿真结果，我们为所有传感器(8B除外)选定了线宽和间隔，以及次级大小线圈的位置。表1列出每个传感器的几何参数。为避免环境噪声，设计一个外部接地保护环路。

　　图3所示是传感器5B。

　　图3：在光学显微镜下的传感器5B

　　2.3.磁耦合

　　为确定最好的工作频率，我们采用了图4的磁耦合检测配置：用幅值恒定变频正弦信号驱动初级线圈，在1MHz-20MHz范围内调节信号频率，同时记录次级大线圈的输出信号。

　　图4：初级线圈和次级线圈磁耦合效应电子测试方法

　　图5是测试结果。不难发现，次级大线圈的信号幅值与谐振频率大约15MHz的频率是函数关系。传感器表征选用这个频率。

　　图5：传感器输出与频率呈函数关系的行为特性。用图4的电子测量方法获取信号

　　因为磁耦合与设计参数呈函数关系，例如，初级线圈匝数和次级线圈匝数，为表征磁耦合，我们做了一系列测量实验。

　　几何参数与电参数的关系见方程式1。

　　其中，N1和N2 表示初级线圈和次级线圈的匝数;R1和R2分别是初级线圈和次级线圈的电阻;i1 是初级线圈的电流;L’2 是次级工作线圈的电感，而ΔL 是磁性物质出现导致工作线圈的电感变化。

　　次级大小线圈的磁耦合效应经过检查。图6给出了次级大线圈的测量结果。根据方程式(1)，输出信号幅值随一次级线圈匝数增加而升高。更详细地讲，如果次级线圈匝数固定(图中的Ns)，输出信号幅度随初级线圈匝数增加而升高，反之亦然。两个次级线圈理论上完全相同，但是还是有细微差别存在。因此，从不存在磁性物质的零开始，输出电压就出现不同的数值，不过，电压值大约只有几毫伏。这个问题放在下一章讨论，共用同一拓扑的传感器的失调电压值都是恒定值(例如，所有的1B传感器的失调电压都相同)。这个问题容易解决，例如，将两个拓扑相同的传感器紧靠在一起，并计算输信号电压的差值。在这种情况下，显然只有一个传感器是工作传感器。

　　图6：用恒幅恒频的正弦信号驱动初级线圈时的次级大线圈的输出电压。

　　次级小线圈是5匝。图7描述了表1列出的每个传感器的输出电压与初级线圈匝数的函数关系特性。同样，次级大线圈输出信号电压随初级线圈匝数增加而升高。

　　图7： 次级小线圈输出电压与初级线圈匝数保持函数关系