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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