1.前言

業界對高敏感度、高特異性、低成本、易攜帶的生物傳感器的研發興趣有增無減。這些要求對于醫療、食品、制藥、臨床等應用領域具有重要意義。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)之間發生的特定生物事件。標記物可以是磁性、放射性、酶、熒光、電化或電介質物質。應根據特定應用的功能選擇適合的標記物。

在這種情況下，使用磁性顆粒作為免疫分析法的標記物(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])有潛在優勢，這與其極高的穩定性、低成本、無毒、易感測有關。

通過選用適合的標記法，可直接量化磁珠數量，無需再為獲取可測量的信號而執行其它操作。現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或附近，線圈同時還兼作致動器和傳感器。微射流系統是線圈被用作致動器的例子[12]:在微射流系統的通道中，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。使用線圈充當感測結構有一個重要的優點，即關系到能否實現集成結構。與宏觀電磁閥相比，采用硅技術集成電感元件有很多潛在優點，其中包括與制造成本、產品良率和平面電感器件可再制性相關的優點。此外，產品尺寸最小化可以大幅降低被分析物質的取樣量，降低每個分析實驗的試劑成本。高集成度還為開發更復雜的感測系統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）與目標分子（抗原）的親和性、線圈參數、感測電路的穩定性，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設計、有限元素法仿真和采用硅技術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]的仿真結果基礎上進化的結果。準確地講，該傳感器架構經過優化設計，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，我們還開發一個新的信號調理產品，使傳感器響應性能高于參考文獻[21]描述的傳感器，因為存在兩個感測系統，可完全表征兩個不同的工作區，本文以下章節給予詳細介紹。

本文主要內容如下：下一章即第二章介紹傳感器工作原理以及布局設計和制造技術；一套驗證磁特性的實驗方法。第三章先是簡要介紹信號調理電子元件和所用磁珠，然后介紹并探討集成雙感測系統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，構成兩個不同的感測系統，如圖1所示。在每個感測系統內，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。初級線圈由交流信號驅動，產生一個與所有次級線圈相關的磁場。
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圖1.生物傳感器結構示意圖：黑色部分是初級線圈；綠色部分是大感測系統；紅色部分是小感測系統。
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在每個感測系統中，因為感測線圈繞線方向相反,初級線圈產生的磁場在次級線圈上感應出的兩個電壓大小相等但極性相反; 因此，當不存在磁性顆粒時，兩個輸出信號的電壓差值為零。 如前文所述，在每個感測系統內，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“替身”，用于去除常見干擾輸入。當磁性顆粒置于工作線圈上時，磁通量線將會重新分布，并產生一個非零的輸出電壓。

2.2.傳感器設計和制造工藝

很多化學反應需要考慮溫度，因為大多數化學反應規則需要特定溫度或溫度循環。為開發一個適合多種應用的生物傳感器，需要在傳感器芯片版圖上整合熱致動結構(在一個區域內確定統一的溫度或恒定的梯度)和熱控制結構(精確控制溫度)。根據參考文獻[23]介紹的制造工藝，我們采用硅技術制造生物傳感器。更詳細地講，第一個金屬層用于制造加熱器和熱阻，兩個熱結構都經過測試。用一個6V直流信號驅動加熱器，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(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，一個有熱結構，另一個沒有熱結構。根據參考文獻[23]描述的程序，我們對溫度感測和熱致動進行了實驗表征。本文討論無熱結構生物傳感器的表征。

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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)和熱結構(青色); 圖b，無熱結構傳感器

電感值主要與線圈材質和設計有關；同樣地，磁場也與線圈設計有關。既然傳感器行為與幾何學參數緊密相關，為找到盡可能最好的配置，我們設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、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]列出的仿真結果，我們為所有傳感器（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。為避免環境噪聲，設計一個外部接地保護環路。
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表1傳感器的幾何參數

圖3所示是傳感器5B。
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圖3：在光學顯微鏡下的傳感器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動初級線圈，在1MHz-20MHz范圍內調節信號頻率，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電子測試方法

圖5是測試結果。不難發現，次級大線圈的信號幅值與諧振頻率大約15MHz的頻率是函數關系。傳感器表征選用這個頻率。

圖5：傳感器輸出與頻率呈函數關系的行為特性。用圖4的電子測量方法獲取信號

因為磁耦合與設計參數呈函數關系，例如，初級線圈匝數和次級線圈匝數，為表征磁耦合，我們做了一系列測量實驗。

幾何參數與電參數的關系見方程式1。

(1)

其中，N1和N2 表示初級線圈和次級線圈的匝數；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 是磁性物質出現導致工作線圈的電感變化。

次級大小線圈的磁耦合效應經過檢查。圖6給出了次級大線圈的測量結果。根據方程式(1)，輸出信號幅值隨一次級線圈匝數增加而升高。更詳細地講，如果次級線圈匝數固定(圖中的Ns)，輸出信號幅度隨初級線圈匝數增加而升高，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，從不存在磁性物質的零開始，輸出電壓就出現不同的數值，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電壓值都是恒定值(例如，所有的1B傳感器的失調電壓都相同)。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的函數關系特性。同樣，次級大線圈輸出信號電壓隨初級線圈匝數增加而升高。

圖7： 次級小線圈輸出電壓與初級線圈匝數保持函數關系

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。

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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。

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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。

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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。

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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。

表2使用次級大線圈充當感測系統時的響應性和分辨率

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)。

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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
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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。

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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。

表3：使用次級小線圈充當感測系統時的響應性和分辨率
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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。

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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。
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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。