生物傳感器的電氣特性測量工具和技術

隨著生物/醫(yī)藥、半導體、電子和納米科學領域的諸多技術進步，生物電子技術有可能改變個人健康、加強安全系統(tǒng)、有利于保護環(huán)境、食物和水、改進生活方式。通過半導體和納米技術，非侵入式物理生物傳感器、芯片實驗室工具、假肢/植入物和遠程醫(yī)療信息系統(tǒng)的進步是有可能實現(xiàn)的。

生物傳感器是一種分析器件，通常用于分析物(比如感興趣的物質，或化學成分)的探測。利用生物傳感器，可以將生物響應轉化為電信號，從而了解生物組合、結構和功能。在很多情況下，探測器就是像晶體管那樣的器件。但是，無論設計使用半導體、電化學或光架構方法，都必須對這些傳感器中的電氣部分進行適當測試，使得設計合格，便于進一步開發(fā)。

生成電子輸出信號的許多生物傳感器/換能器技術在探測系統(tǒng)設計方面具有巨大諸多優(yōu)勢，可以滿足速度和易用性標準。通過正確的測試和校準，電子生物傳感器可以滿足這些標準，同時提供可靠結果，把虛假的正負指示降到最低。

生物傳感器/換能器裝置簡稱生物傳感器，可以定義為履行以下一個或多個行為的器件：

1.探測、記錄、轉換、處理和傳輸與生理變化或過程有關的信息。

2.利用生物材料監(jiān)測物質(分析物)中各種化學成分的存在。

3.將電接口(換能器)與生物敏感或選擇元件相結合。

更具體地說，生物傳感器包括生物識別元件，由它來識別目標分析物。生物傳感器的換能器將識別事件轉換為與感興趣的化學或生物目標的數(shù)量或存在相關的可測量信號。圖1給出常見的生物傳感器模型。

圖1：常見生物傳感器示意圖。

生物傳感器系統(tǒng)的性能標準包括：

1. 速度和便于非技術人員使用(測試/校準/維護)。

2. 對目標分析物的選擇性。為了獲得正確的結果，必須使化學物質的干擾降到最低。

3. 靈敏度/分辨率。

4. 線性度(傳感器校準曲線的最大線性值。對于高底物濃度檢測，傳感器線性度必須較高)。

5. 精度/可重復性。

6. 動態(tài)范圍。分析物的高濃度不能降低傳感器的可用性。

7. 環(huán)境魯棒性(對溫度、電噪聲、物理沖擊、振動等相對不敏感)。

8. 可用壽命/適應性。

9. 安全性/完整性(對人員、設備和分析物)。

為了實現(xiàn)快速檢測以及可讀電子輸出，研究人員正在開發(fā)將生物傳感器識別元件功能和半導體器件結合在一起的生物傳感器，它可作為便攜設備用于家庭醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)等領域。類似地，可與植入醫(yī)療系統(tǒng)一起使用的生物傳感器也正處于研究之中。

傳感器設計

生物傳感器的設計方法有很多種。一種設計使用寡核苷酸傳感器和核酸反應來表明病原體的存在。另一種設計采用表面等離子體共振(SPR)來檢測生物分子，如蛋白質和DNA?；赟PR的傳感器可以對分子間的相互作用提供實時無標記研究，其傳感器芯片接口便于特定配體與換能器表面的吸附，并提供表面濃度的高靈敏測量。

基于組織的傳感器也正在開發(fā)之中。它們利用芯片上的活細胞，芯片可以對生物和化學威脅試劑的出現(xiàn)做出機能性響應。由于其設計是模擬多細胞人體組織的功能，因此，這些傳感器應當對已知和未知試劑做出響應。換能器將檢測活細胞表面電荷的微小變化。

電化學生物傳感器正在用于許多應用。通常，電化學生物傳感器基于產(chǎn)生或消耗電子響應的酶(這種酶稱作氧化還原酶)促作用。該傳感器基底可能包括3個電極：參考電極、工作電極和反電極。目標分析物涉及在活躍電極表面發(fā)生的反應，這個反應可能引起跨越雙層的電子傳輸(產(chǎn)生電流)，還有可能貢獻雙層電勢(產(chǎn)生電壓)。既可以在固定電勢下對電流進行測量(電子流速與分析物濃度成正比)，也可以在零電流情況下對電勢進行測量(這給出了對數(shù)響應[1])。

又如，電位型電化學生物傳感器(在零電流產(chǎn)生的電勢)的對數(shù)響應具有較寬的動態(tài)范圍。這類生物傳感器往往是通過在塑料基底上對電極圖案進行絲網(wǎng)印刷而制作，其基底覆蓋一層導電聚合物，然后粘附一些蛋白(酶或抗體)。這些傳感器只有兩個電極，而且靈敏度和魯棒性非常高。

所有的生物傳感器通常都涉及最小的樣品制備，因為生物敏感元件對于所涉及的分析物具有高度選擇性。由于傳感器表面發(fā)生變化，致使導電聚合物層內的電化學或物理變化產(chǎn)生信號。這種變化可以歸因于離子強度、PH值、水化反應和氧化還原反應，后者源自基底上的酶標記翻轉。場效應晶體管(FET)，其柵區(qū)被酶或抗體更改，也可以檢測濃度非常低的各種分析物，因為分析物與FET柵區(qū)的結合將引起漏-源電流的變化[1]。

近日，在納米科學領域，通過使用石墨烯，生物傳感器有許多進步。石墨烯是2004年發(fā)現(xiàn)的，因其特有的物理化學、高靈敏度和優(yōu)異的力學、熱學和電學特性而備受關注?；谑┑纳飩鞲衅骺赡芫哂懈叩撵`敏度，因為石墨烯是石墨的二維單原子層，可能實現(xiàn)表面摻雜劑和吸附物之間相互作用的最大化。同用于生物檢測應用碳納米管相比，石墨烯具有更低的約翰遜噪聲。約翰遜噪聲是電荷載流子熱運動而引起的電阻材料中的噪聲。因此，石墨烯生物傳感器中載流子濃度的微小變化可能引起待測電導率的顯著變化。

根據(jù)分析物和生物傳感器識別元件的不同，生物傳感器的換能器可能利用以下機制之一：

安培計：安培計器件檢測電流變化。它們對生物系統(tǒng)與電極之間交換電子而產(chǎn)生的電流進行測量。

電位計：某些反應將引起待測電極之間電壓(在恒定電流的電勢)變化。

電導：電導測量器件對兩個電極之間電導率的變化進行檢測。

電阻：電阻率是電導率的倒數(shù)，可以通過類似方法進行測量。

電容：當生物識別反應導致生物傳感器識別元件附近介質中介電常數(shù)發(fā)生變化時，其電容測量方法可以用作換能器。

壓電：在壓電材料中存在著力學和電學特性之間的耦合。利用這種耦合可以創(chuàng)建一個電振蕩器，其頻率是變化的，而且可以通過施加其表面質量的變化進行測量。在生物傳感器情況下，質量是可以變化的，因為在其表面發(fā)生了反應。

熱：這些器件對溫度變化進行測量。

光：光學生物傳感器將濃度、質量或分子數(shù)量變化與光特性變化進行相關。要想使這種方法有效，生物識別反應的反應物或生成物之一必須與比色、熒光或發(fā)光指標關聯(lián)。有時候，利用光纖可以將光信號從光源引導至檢測器。

傳感器特性分析：驗證過程第一步

研發(fā)項目的目標是克服生物傳感器系統(tǒng)設計局限性。例如，生物傳感器設計的一個問題是實現(xiàn)生物親合元件和無機換能器元件之間穩(wěn)定、可重復的接口。出于手持便攜性的考慮，希望生物傳感器小型化，且具有足夠靈敏度，這將給生物分子與換能器界面的耦合帶來技術挑戰(zhàn)。因此，無論是在研發(fā)實驗室還是在生產(chǎn)中，對生物傳感器進行快速而準確的特性分析，是檢驗生物傳感器/換能器接口是否合格以及生物檢測系統(tǒng)的最終運行的重要手段。

典型測試程序任務是開發(fā)或驗證生物傳感器性能度量指標。由于對試劑或反應中細胞和組織信號的提取非常復雜，通常希望對生物傳感器的主要部件進行直接的電流-電壓(I-V)特性分析。I-V特性分析的時間只占大多數(shù)類型功能測試時間的很小一部分，但卻是其正式運行的重要預示。例如，I-V數(shù)據(jù)可以用來研究異常、定位曲線的最大或最小斜率，以及進行可靠性分析。根據(jù)設計細節(jié)，I-V特性分析往往適合基于電流計、電位計、電導率、電阻和熱原理的傳感器。

通常，I-V測試為待測器件(DUT)施加電壓或電流，然后測試其對激勵做出的響應。還可能采用溫度測量。測試程序可能涉及為某個連接焊盤施加激勵，探測集成電路，并測量DUT響應。根據(jù)DUT的不同，信號電平可能相當?shù)?，需要高靈敏度源和測量儀器及測試技術，最大限度地減少誤差的外部來源。

利用源測量單元(SMU)儀器對生物傳感器性能進行特性分析

在很多情況下，生物傳感器將由醫(yī)生、軍人、公共安全部隊用于便攜系統(tǒng)，還可以用于家庭健康監(jiān)控。這將對傳感器使用功率需求提出限制，而且可能限定提供給測量電路的電壓或電流輸出電平。在電池供電系統(tǒng)中，傳感器輸出電流范圍是納安到毫安，輸出電壓范圍是納伏到伏。對于這么寬的范圍，不同的級別需要不同的測量技術和工具。

實施I-V特性分析的最佳工具之一是源測量單元(SMU)或數(shù)字源表SMU儀器。在I-V特性分析中，由于復雜的觸發(fā)問題，直流電源和測量儀器的集成可能是有問題的。簡言之，SMU儀器在一部儀器內實現(xiàn)了精確電源(PPS)能力與高性能數(shù)字多用表(DMM)的集成。例如，SMU儀器在測量電流時可同時起到源或降電壓作用，在測量電壓時可起到源或降電流的作用。圖2給出SMU儀器作為恒流源和伏特計的配置，它用于測量DUT的響應。

圖2：SMU儀器作為恒流源和伏特計的配置，用于測量DUT的響應。

SMU儀器還可用作獨立的恒壓源或恒流源、伏特計、安培計和歐姆表，還可用作精密電子負載。其高性能架構還允許將其用作脈沖發(fā)生器、波形發(fā)生器和自動I-V特性分析系統(tǒng)。

這些儀器的雙極電壓和電流源是由微處理器控制的，這使得I-V特性分析更加高效，并簡化儀器建立。使用SMU儀器時，可以在其程序內存中存儲許多不同測試序列，并通過簡單的觸發(fā)信號予以執(zhí)行。測試數(shù)據(jù)可以存儲在緩存中，直到I-V掃描完成，然后下載至計算機進行處理和分析。

由于在生物、化學、材料和電化學等諸多領域，致力于生物傳感器和其他生物電子技術的研究人員數(shù)量眾多，因此，測試儀器的易用性和低學習曲線非常重要。這些研究人員可能不熟悉電氣特性分析工具，如SMU儀器，但需要在實驗室對其器件進行I-V特性分析。

觸摸屏技術的進步以及智能手機和平板電腦的廣泛普及推動了直觀操作的發(fā)展，臺式儀器的圖形用戶界面可能大大簡化學習曲線和整機易用性。采用觸摸屏方法，用戶感覺很舒適，不容易出錯;他們可以直觀了解怎樣使用接口。觸摸屏系統(tǒng)使每個人第一次接觸儀器時就成為“專家用戶”，無論他是儀器的新用戶還是行家里手。同傳統(tǒng)培訓方法相比，使用觸摸屏可以大大縮短培訓時間、提高操作精度，并提高整體使用效率。

圖3：吉時利2450型數(shù)字源表SMU儀器采用高級電容觸摸屏圖形用戶界面。

吉時利2450型交互式數(shù)字源表SMU儀器簡化了非傳統(tǒng)用戶的學習曲線，使之從使用多層菜單結構和多功能按鈕配置功能的繁瑣工作中解脫出來。2450型儀器使用基于圖標的平面菜單系統(tǒng)，就像在智能消費電子產(chǎn)品中使用的菜單系統(tǒng)一樣簡單，如平板電腦或智能手機上顯示的應用圖標排列。

圖4：2450型儀器屏幕菜單。

生物場效應晶體管(BioFET)傳感器測試

如前所述，利用FET和生物材料可以制作生物傳感器。FET利用電場控制半導體材料中載流子溝道形狀和傳導率。生物場效應晶體管組成包括：半導體換能器、介質層、生物功能表面、分析物及參考電極(場效應晶體管的柵極)，如圖5所示。

BioFET半導體換能器的制作過程如下。介質層是氧化物，如二氧化硅，它有兩項任務。第一項任務是將FET溝道與液體進行隔離，第二項任務是將表面電荷靜電耦合至溝道。在介質層上面是生物功能層， 它起到固定生物分子接受器的作用，能夠結合期望的分子。分析物是包含溶解的樣本分子的解決方案。參考電極允許調整器件，從而實現(xiàn)其靈敏度最大化。如果目標分子與接受器結合，那么表面電荷密度將發(fā)生變化。這種變化將改變半導體電勢以及FET溝道連通性[2]。

圖5：生物場效應晶體管(BioFET)概念圖。

利用兩個2450型數(shù)字源表SMU儀器可以對BioFET進行特性分析，從而對傳感器進行I-V特性分析。確定BioFET的I-V參數(shù)有助于確保其在預期應用中恰當?shù)匕l(fā)揮作用，并滿足性能要求。利用2450型儀器可以進行多種I-V測試，包括柵極泄漏、擊穿電壓、閾值電壓、傳輸特性以及漏電流。進行測試所需的2450型SMU儀器數(shù)量取決于需要偏置和測量的FET端口數(shù)。

這個應用實例說明怎樣繪制三端口FET漏電流系列(VDS-ID)曲線。該技術有可能用于BioFET器件。

所需設備

● 兩部2450型交互式數(shù)字源表SMU儀器

● 4根三軸電纜(吉時利7078-TRX-10型號)

● 金屬屏蔽測試夾具或探針臺，以及母三軸連接器

● 三軸三通接頭(吉時利237-TRX-T型號)

● 外部硬件觸發(fā)器電纜不同，具體取決于所用指令：

● 對于SCPI指令：1根DB-9公-母9針電纜，實現(xiàn)2450型器后部數(shù)字I/O端口彼此連接。

● 對于TSP指令：1根TSP-Link交叉網(wǎng)線(吉時利CA-180-3A型網(wǎng)線，在2450型儀器中已包含)，實現(xiàn)TSP-Link端口彼此連接。

● 2450型儀器與計算機連接電纜不同，具體取決于所用指令集：

● 對于SCPI指令：2根GPIB電纜、2根USB電纜或2根以太網(wǎng)電纜

● 對于TSP指令：1根GPIB電纜、1根USB電纜或1根以太網(wǎng)電纜

建立遠程通信

這個應用可以通過儀器支持的任何通信接口(GPIB、USB或以太網(wǎng))運行。

程控通信接口后面板連接位置如下圖所示。

圖6：2450型儀器程控接口連接。

設立外部硬件觸發(fā)器

為了支持兩部2450型源測量單元(SMU)儀器步進掃描電壓之間的同步，將其外部觸發(fā)器彼此相連。所用電纜取決于用于控制測試的2450型儀器編程指令集。

SCPI指令集連接

如果您使用SCPI指令集，請利用DB-9母-母電纜連接儀器后面板的數(shù)字I/O插孔，如下圖所示。

圖7：SCPI編程實例中GPIB和DB-9電纜連接。

上圖還給出利用GPIB程控通信接口實現(xiàn)的通信連接。利用GPIB電纜(#1)實現(xiàn)計算機(控制器)GPIB端口與2450型儀器(#1)后面板IEEE-488插孔的連接。利用GPIB電纜(#2)實現(xiàn)兩部2450型儀器IEEE-488插孔之間的連接。

當利用USB電纜連接計算機和2450型SMU儀器時，每部儀器必須利用獨立USB電纜與計算機相連。

當使用以太網(wǎng)電纜連接計算機和2450型SMU儀器時，儀器和計算機必須使用以太網(wǎng)開關或集線器連接。

TSP指令集連接

當測試腳本處理器(TSP)指令集用于遠程編程時，利用CA-180-3A型交叉電纜(2450型儀器中包含該電纜)實現(xiàn)2450儀器后面板TSP-Link端口的互連(參見下圖)。

圖8：TSP指令集連接。

對于計算機與2450型儀器的GPIB通信，只需要1根電纜，實現(xiàn)GPIB接口與2450型儀器IEEE-488接口的連接(圖8中2450型#1)。將2450型#1的TSP-Link節(jié)點設為節(jié)點1，將2450型#2的TSP-Link節(jié)點設為節(jié)點2。

通過前面板改變2450型TSP-Link節(jié)點：

1.按壓主屏左上角的通信狀態(tài)指示器，先后選擇改變設置，系統(tǒng)通信窗口打開。

2.在TSP-Link選項下，選擇節(jié)點旁的按鈕，然后進入期望的節(jié)點號。

3.選擇初始化。

4.按壓菜單按鈕，返回主屏。

對于TSP-Link網(wǎng)絡中的所有2450型SMU儀器，重復這個指令。

器件連接

為了測試漏系列曲線，對兩部2450型SMU儀器進行配置，使之源電壓并測量電流。在這個電路中，2450型#2的Force HI端與BioFET的柵極相連，2450型#1的Force HI端與與其漏極相連。BioFET的電源端與兩部2450型SMU儀器的Force LO端相連。當對所有三端進行源和測量時，還需要第三部2450型儀器。利用兩部2450型SMU儀器可對BioFET進行I-V測試配置，參見圖9。

圖9：BioFET三端I-V測試配置。

圖10給出從兩部2450型SMU儀器后部面板端子到BioFET的連接方式。

圖10：測試三端BioFET時兩部2450型儀器配置。

在這個例子中，使用4根三軸電纜(7078-TRX-10型)，實現(xiàn)2450型儀器后面板母三軸插孔與BioFET器件的互連，它被安裝在一個金屬屏蔽的測試夾具內，與母三軸插孔連接。利用三軸三通(237-TRX-T型)實現(xiàn)兩部2450型儀器的Force LO端與BioFET源端連接。

對于測試FET的SCPI或TSP編程序列，請參照2450型儀器用戶手冊第7部分：FETI-V特性測量。圖11給出典型FET系列曲線。其結果可能因BioFET及使用生物功能材料類型的不同而發(fā)生變化。

圖11：兩部2450型儀器生成的典型FET漏系列曲線。

3C精確測試：電纜、電導和電容

無論使用什么樣的儀器，其與DUT之間的連接都是測量系統(tǒng)的重要組成部分。了解和管理這些連接的局限性對于準確測量至關重要。噪聲源、電纜長度和電纜電容都可能影響測量質量;信號電平越低，這些問題就越重要。為了把問題影響降到最小，測量電路與電纜及連接器應當與測試信號匹配。此外，電纜和測試引線應當認真?zhèn)鬟f和安裝。

電纜 對當測試應用電纜進行評估時，應當考慮以下這些問題：

● 測試環(huán)境中的電氣噪聲有多大? 噪聲被定義為在感興趣信號上疊加的任何不需要的信號。電磁噪聲源包括交流電源線、電機和發(fā)電機、變壓器、熒光燈、CRT顯示器、計算機、無線發(fā)射機等。根據(jù)信號和噪聲惡性，一旦儀器輸入端采集到信號，就不可能將二者分離。 要盡可能使用最短的傳輸電纜和測試引線，從而把其對噪聲源的暴露降到最低。然后，使其牢固地就位，無法移動，不會在電磁場中產(chǎn)生雜散電磁場。

● 信號源與測量系統(tǒng)終端之間的距離是多少?電線具有電阻，這取決于其組成、長度和直徑。電阻隨著電線長度的增加而增加，隨著電線直徑的增加而降低。電阻是電纜整體效應的一部分，該效應是測量電路模擬輸入的一部分。高電纜電阻與低模數(shù)入電阻的共同作用可能導致通過互連電纜的較大電壓降，從而帶來測量誤差。

導體 在屏蔽和非屏蔽電纜中使用的導體可能是實心線或絞合線。實心線信號衰減最小，但絞合線更靈活，而且可能更容易傳遞和安裝。導體可能是裸銅線、鍍銀或鍍錫。連接器和導體材料應當匹配，從而使電阻最小，并減少熱生電磁場。

為了實現(xiàn)最高的信號完整性，應使用屏蔽導體電纜。屏蔽可以降低信號引線拾取的電磁噪聲，還有助于降低來自攜帶高頻信號導體的電磁輻射。利用不同類型的金屬絲編織層或金屬絲編織層與鋁箔組合，都可以實現(xiàn)屏蔽。同單層屏蔽相比，多層或多銅箔屏蔽層在微弱信號拾取和輻射方面更有效。不過，這往往使電纜更僵硬和更難傳遞和安裝。

在選擇屏蔽電纜時，應當考慮以下因素：

● 頻率噪聲越高就越難衰減，需要更復雜的屏蔽。

● 簡單的螺旋絲纏繞箔是最低效的類型屏蔽。

● 緊密編織、雙編織或編織加鋁箔將提供更有效的屏蔽。

● 苛刻的大氣、濕度等可能降低屏蔽的有效性。在某些情況下，這些污染物可能會滲入電纜并降低外絕緣套下的屏蔽。如果可能，應避免在這種環(huán)境下進行測試。

電容 對于許多生物傳感器來說，輸出信號可能比作帶有電阻的串行電壓源。類似地，模擬儀器輸入端可以比作帶有輸入電阻的并行儀表。在測試期間，儀器輸入端吸入少量電源必須能夠提供的偏置電流?；ミB電纜時這個電路的重要組成部分，而且可能引入電阻、電容和電感效應，具體取決于長度、容量、成分、路由和物理環(huán)境。

對于高速、快速變化的信號，電路電感和電容可能是測量速度的嚴重阻礙，即使信號源和儀器阻抗完全匹配。通常，寄生電容比電感危害更大。來自高阻抗源的信號需要更長的時間才能在儀器輸入端穩(wěn)定在，因為信號電流電平有限，需要更多的時間為電纜電容充電。在這種情況下，應在信號穩(wěn)定之前，進行測量，避免錯誤讀數(shù)。

結論

在開發(fā)早期階段，利用I-V特性分析技術，可以簡化用于生物檢測系統(tǒng)和分析儀器的傳感器合格驗證。在很多情況下，這些技術可以用于傳感器生產(chǎn)測試中。