生物传感器的电气特性测量工具和技术

2014-09-15 10:34:12来源: ednchina
随着生物/医药、半导体、电子和纳米科学领域的诸多技术进步,生物电子技术有可能改变个人健康、加强安全系统、有利于保护环境、食物和水、改进生活方式。通过半导体和纳米技术,非侵入式物理生物传感器、芯片实验室工具、假肢/植入物和远程医疗信息系统的进步是有可能实现的。

生物传感器是一种分析器件,通常用于分析物(比如感兴趣的物质,或化学成分)的探测。利用生物传感器,可以将生物响应转化为电信号,从而了解生物组合、结构和功能。在很多情况下,探测器就是像晶体管那样的器件。但是,无论设计使用半导体、电化学或光架构方法,都必须对这些传感器中的电气部分进行适当测试,使得设计合格,便于进一步开发。

生成电子输出信号的许多生物传感器/换能器技术在探测系统设计方面具有巨大诸多优势,可以满足速度和易用性标准。通过正确的测试和校准,电子生物传感器可以满足这些标准,同时提供可靠结果,把虚假的正负指示降到最低。

生物传感器/换能器装置简称生物传感器,可以定义为履行以下一个或多个行为的器件:

1.探测、记录、转换、处理和传输与生理变化或过程有关的信息。

2.利用生物材料监测物质(分析物)中各种化学成分的存在。

3.将电接口(换能器)与生物敏感或选择元件相结合。

更具体地说,生物传感器包括生物识别元件,由它来识别目标分析物。生物传感器的换能器将识别事件转换为与感兴趣的化学或生物目标的数量或存在相关的可测量信号。图1给出常见的生物传感器模型。

图1:常见生物传感器示意图。
图1:常见生物传感器示意图。

生物传感器系统的性能标准包括:

1. 速度和便于非技术人员使用(测试/校准/维护)。

2. 对目标分析物的选择性。为了获得正确的结果,必须使化学物质的干扰降到最低。

3. 灵敏度/分辨率。

4. 线性度(传感器校准曲线的最大线性值。对于高底物浓度检测,传感器线性度必须较高)。

5. 精度/可重复性。

6. 动态范围。分析物的高浓度不能降低传感器的可用性。

7. 环境鲁棒性(对温度、电噪声、物理冲击、振动等相对不敏感)。

8. 可用寿命/适应性。

9. 安全性/完整性(对人员、设备和分析物)。

为了实现快速检测以及可读电子输出,研究人员正在开发将生物传感器识别元件功能和半导体器件结合在一起的生物传感器,它可作为便携设备用于家庭医疗监控系统等领域。类似地,可与植入医疗系统一起使用的生物传感器也正处于研究之中。

传感器设计

生物传感器的设计方法有很多种。一种设计使用寡核苷酸传感器和核酸反应来表明病原体的存在。另一种设计采用表面等离子体共振(SPR)来检测生物分子,如蛋白质和DNA。基于SPR的传感器可以对分子间的相互作用提供实时无标记研究,其传感器芯片接口便于特定配体与换能器表面的吸附,并提供表面浓度的高灵敏测量。

基于组织的传感器也正在开发之中。它们利用芯片上的活细胞,芯片可以对生物和化学威胁试剂的出现做出机能性响应。由于其设计是模拟多细胞人体组织的功能,因此,这些传感器应当对已知和未知试剂做出响应。换能器将检测活细胞表面电荷的微小变化。

电化学生物传感器正在用于许多应用。通常,电化学生物传感器基于产生或消耗电子响应的酶(这种酶称作氧化还原酶)促作用。该传感器基底可能包括3个电极:参考电极、工作电极和反电极。目标分析物涉及在活跃电极表面发生的反应,这个反应可能引起跨越双层的电子传输(产生电流),还有可能贡献双层电势(产生电压)。既可以在固定电势下对电流进行测量(电子流速与分析物浓度成正比),也可以在零电流情况下对电势进行测量(这给出了对数响应[1])。

又如,电位型电化学生物传感器(在零电流产生的电势)的对数响应具有较宽的动态范围。这类生物传感器往往是通过在塑料基底上对电极图案进行丝网印刷而制作,其基底覆盖一层导电聚合物,然后粘附一些蛋白(酶或抗体)。这些传感器只有两个电极,而且灵敏度和鲁棒性非常高。

所有的生物传感器通常都涉及最小的样品制备,因为生物敏感元件对于所涉及的分析物具有高度选择性。由于传感器表面发生变化,致使导电聚合物层内的电化学或物理变化产生信号。这种变化可以归因于离子强度、PH值、水化反应和氧化还原反应,后者源自基底上的酶标记翻转。场效应晶体管(FET),其栅区被酶或抗体更改,也可以检测浓度非常低的各种分析物,因为分析物与FET栅区的结合将引起漏-源电流的变化[1]。

近日,在纳米科学领域,通过使用石墨烯,生物传感器有许多进步。石墨烯是2004年发现的,因其特有的物理化学、高灵敏度和优异的力学、热学和电学特性而备受关注。基于石墨烯的生物传感器可能具有更高的灵敏度,因为石墨烯是石墨的二维单原子层,可能实现表面掺杂剂和吸附物之间相互作用的最大化。同用于生物检测应用碳纳米管相比,石墨烯具有更低的约翰逊噪声。约翰逊噪声是电荷载流子热运动而引起的电阻材料中的噪声。因此,石墨烯生物传感器中载流子浓度的微小变化可能引起待测电导率的显著变化。

根据分析物和生物传感器识别元件的不同,生物传感器的换能器可能利用以下机制之一:

安培计:安培计器件检测电流变化。它们对生物系统与电极之间交换电子而产生的电流进行测量。

电位计:某些反应将引起待测电极之间电压(在恒定电流的电势)变化。

电导:电导测量器件对两个电极之间电导率的变化进行检测。

电阻:电阻率是电导率的倒数,可以通过类似方法进行测量。

电容:当生物识别反应导致生物传感器识别元件附近介质中介电常数发生变化时,其电容测量方法可以用作换能器。

压电:在压电材料中存在着力学和电学特性之间的耦合。利用这种耦合可以创建一个电振荡器,其频率是变化的,而且可以通过施加其表面质量的变化进行测量。在生物传感器情况下,质量是可以变化的,因为在其表面发生了反应。

热:这些器件对温度变化进行测量。

光:光学生物传感器将浓度、质量或分子数量变化与光特性变化进行相关。要想使这种方法有效,生物识别反应的反应物或生成物之一必须与比色、荧光或发光指标关联。有时候,利用光纤可以将光信号从光源引导至检测器。

传感器特性分析:验证过程第一步

研发项目的目标是克服生物传感器系统设计局限性。例如,生物传感器设计的一个问题是实现生物亲合元件和无机换能器元件之间稳定、可重复的接口。出于手持便携性的考虑,希望生物传感器小型化,且具有足够灵敏度,这将给生物分子与换能器界面的耦合带来技术挑战。因此,无论是在研发实验室还是在生产中,对生物传感器进行快速而准确的特性分析,是检验生物传感器/换能器接口是否合格以及生物检测系统的最终运行的重要手段。

典型测试程序任务是开发或验证生物传感器性能度量指标。由于对试剂或反应中细胞和组织信号的提取非常复杂,通常希望对生物传感器的主要部件进行直接的电流-电压(I-V)特性分析。I-V特性分析的时间只占大多数类型功能测试时间的很小一部分,但却是其正式运行的重要预示。例如,I-V数据可以用来研究异常、定位曲线的最大或最小斜率,以及进行可靠性分析。根据设计细节,I-V特性分析往往适合基于电流计、电位计、电导率、电阻和热原理的传感器。

通常,I-V测试为待测器件(DUT)施加电压或电流,然后测试其对激励做出的响应。还可能采用温度测量。测试程序可能涉及为某个连接焊盘施加激励,探测集成电路,并测量DUT响应。根据DUT的不同,信号电平可能相当低,需要高灵敏度源和测量仪器及测试技术,最大限度地减少误差的外部来源。

利用源测量单元(SMU)仪器对生物传感器性能进行特性分析

在很多情况下,生物传感器将由医生、军人、公共安全部队用于便携系统,还可以用于家庭健康监控。这将对传感器使用功率需求提出限制,而且可能限定提供给测量电路的电压或电流输出电平。在电池供电系统中,传感器输出电流范围是纳安到毫安,输出电压范围是纳伏到伏。对于这么宽的范围,不同的级别需要不同的测量技术和工具。

实施I-V特性分析的最佳工具之一是源测量单元(SMU)或数字源表SMU仪器。在I-V特性分析中,由于复杂的触发问题,直流电源和测量仪器的集成可能是有问题的。简言之,SMU仪器在一部仪器内实现了精确电源(PPS)能力与高性能数字多用表(DMM)的集成。例如,SMU仪器在测量电流时可同时起到源或降电压作用,在测量电压时可起到源或降电流的作用。图2给出SMU仪器作为恒流源和伏特计的配置,它用于测量DUT的响应。

[1] [2] [3]

关键字:生物传感器  电气特性  测量

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2014/0915/article_9518.html
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