表征兩個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，我們開發出一個適合的信號調理電子元件。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-電流轉換器驅動初級線圈。在退耦后，次級線圈信號經非反相放大器放大，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性能。最后，用一個差分放大器對兩個被修整的信號進行放大和去除處理。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量的磁性顆粒，輸出電壓測量值與磁性物質的質量是函數關系。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行初步表征，以檢查小線圈是否能夠感測單個液滴。基于用次級小線圈進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不同質量的磁珠，在溫濕度可控的1000級無塵室內，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(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。既然次級小線圈感測系統能夠測量低質量磁珠，該傳感器可用于兩種配置：檢查特定目標分子是否存在，并通過小線圈信號量化質量更小的目標分子，因為次級大線圈無法測量小質量目標分子。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計共有兩個感測系統，因而產生兩個不同的工作磁場，但是，根據實際應用情況可能只選用其中一個感測系統。

　　圖10列出了在傳感器1B次級大線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間穩定性測量結果。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次級大線圈上進行的傳感器重復性測試;b)在傳感器1B次級小線圈上進行的傳感器時間穩定性測試;

　　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驗性表征。圖11列出了在次級大線圈上取得的實驗數據以及誤差柱狀圖(@ 3sigma)，不難看出，輸出信號電壓隨著磁珠質量增加而升高。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感測系統進行的a)2B傳感器表征和b)3B傳感器表征實驗。

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

　　                                                                                  a)                                                                           b)

　　圖12：磁珠質量低于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，感測系統必須使用次級小線圈;次級大線圈用于磁珠質量大于12.5ng的情況。然后，計算出次級大線圈感測系統的模型，不包括磁珠質量小于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感測系統時的響應性、分辨率和不確定性的數值。

　　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，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。圖15描述了傳感器的部分行為特性(實驗數據以及誤差柱狀圖(@ 3sigma)。

　　                                                                          a)　                                                                     b)

　　圖14 通過小線圈感測系統進行的傳感器表征;a)2B傳感器; b)7B傳感器。

　　圖14表明，次級小線圈能夠發現并測量質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，使其趨于飽和，故不能測量大質量磁珠。為表征次級小線圈與磁珠質量保持函數關系的行為特性，如前文所述，實驗采用了多種不同質量的稀溶液，只有傳感器7B采用了四種質量的磁珠，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量成函數關系

　　圖16是傳感器7B的模型，考慮到了磁珠溶液質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量(即考慮圖15b的行為特性)時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的兩個點(0和1.16ng)創建的模型(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圈充當感測系統時的響應性和分辨率數值。

　　通過比較表2和表3所列數值，可以確定，當磁珠質量小時，必須使用次級小線圈，因為它具有高響應性和高分辨率。另一方面，當磁珠質量大時，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，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，傳感器響應性不好，考慮到這兩點，不妨將兩個感測系統同時使用。

　　圖17所示是該行為特性。

　　                                                                a)                                                                                        b)

　　圖17 a)描述了傳感器7B與工作范圍呈函數關系的行為特性;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一個涉及使用磁性標記物的過程，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用，例如，DNA雜交、蛋白質測量等。設計優化和兩個不同的感測子系統(小線圈和大線圈)使該傳感器取得廣泛的動態范圍，強化了生物應用功能。下一步工作是提高傳感器的響應性，在線圈區的襯底背后沉積磁層，以此提高傳感器的敏感度。