[发明专利]基于开关电容原位自校准技术的LC振荡器磁敏生物传感器

说明书

技术领域

本发明属于生物传感器技术领域，特别涉及基于片上开关电容原位自校准技术的电感电容(LC)振荡器磁敏生物传感器。

背景技术

免疫分析法，是基于抗原和抗体之间的特异性反应，来测定和分析特定检测物(药物、激素、蛋白质、微生物等)的一种分析方法。在免疫反应中，免疫分析试剂所表现出的极低的检测浓度下限和独特的选择性，使这种分析方法在临床检验、生物制药以及环境化学等领域得到了非常广泛的应用。临床医学研究显示，许多生物标志物(蛋白质、DNA、脂质、糖类等)与疾病之间有明确的对应关系，而且人体在有些疾病发病早期就开始分泌某些特异蛋白，如果能在超微量浓度(pg/ml)下检测到这些生物标志物，对于疾病的早期预防和诊断具有重要意义。

在众多检测方法中，由于血液和其它生物体液中几乎不含磁性物质，利用超顺磁性纳米颗粒作为标记物极有可能实现超低的背景噪声，并且随着固态磁敏传感器技术的进步，探测灵敏度不断提高，因此开发基于纳米磁颗粒作为标记物的高灵敏度、多靶标免疫分析技术成为了生物检测技术的一个研究热点，而这其中除了抗原、抗体选择及生化反应过程控制以外，关键就在于开发高灵敏度、多检测区(多靶标)的纳米磁颗粒探测传感器。近年来，国际上已经有许多研究团队在进行基于纳米磁颗粒作为标记物的生物传感器的研究。迄今为止，已经发表的磁敏传感机理主要包括巨磁阻(GMR)传感器，霍尔效应传感器，NMR弛豫传感器和频率漂移磁敏传感器。这些原理在灵敏度、速度、系统实现复杂度和成本等性能上存在着折衷关系，然而这些磁敏生物检测传感器仍然存在两个主要缺陷，限制了其大规模生产和应用：一，器件特殊的制造工艺限制了器件与CMOS工艺的集成，难以将传感器和处理电路进行单片集成；二，这些磁敏传感器在工作时需要在外部施加两个磁场，一个用来控制器件内固定铁磁层的磁化方向，另一个用来对磁颗粒产生激励，而外加磁场通常需要片外的硬件和复杂的设备，这也增加了系统的实现复杂度和系统成本。针对以上缺陷，美国加州理工学院的HuaWang研究小组在2009年提出了一种基于CMOS工艺片上LC振荡器的磁敏检测原理。在检测中，经过纳米磁颗粒标记的被测样本首先被运送到传感器表面，然后被预先固定在表面的探针分子所捕获，由于超顺磁性纳米磁颗粒会改变磁场空间的总能量，进而改变电感的感值，最终表现为片上电感电容振荡电路的振荡频率发生变化，通过检测电路工作频率的变化可以推测磁颗粒的数量，同时能够反映出样本中目标分子的浓度。

为了满足临床疾病检测的应用需求，目标特异蛋白浓度在0.1ng/ml的量级，通过显微镜观察可知，当检测目标特异蛋白浓度为0.1ng/ml的时候,在120×120μm的电感检测区域内大概会有近1000个磁颗粒，以直径100nm的磁颗粒为例，单个磁颗粒引起的频率变化约为4Hz，这样0.01ng/ml的溶液总的信号强度约为4kHz左右。理论上，如果振荡电路的振荡频率足够稳定，4kHz的频率变化可以很容易地检测出来，但是，实际的片上振荡器会受到相位噪声和环境的影响，其振荡频率通常会有数十kHz的波动，远远高于有效信号强度。与此同时，在实际应用中生物检测是一个长时间的过程，通常需要数十分钟，由于片上振荡电路对外界环境变化非常敏感，导致其信号漂移远大于磁颗粒造成的频率变化，因此，一方面需要提高检测电路本身的频率稳定性，另一方面，通过一些噪声抑制和校准补偿技术来抵消掉外界环境的影响也至关重要。

目前消除共模噪声最有效的一种方法是利用检测区(滴加磁颗粒)和参考区(不滴加磁颗粒)进行差分校准，相关工作见参考文献《H.Wang et al.,An ultrasensitive CMOS magnetic biosensor array with correlated double counting(CDC)noise suppression.Proc.IEEE MTT-S Int.Microwave Symp.,May 2010,pp.616–619.》与《H.Wang et al.,A frequency-shift CMOS magnetic biosensor array with single-bead sensitivity and no external magnet.IEEE ISSCC Dig.Tech.Papers,Feb.2009,pp.438–439.》。然而这类方法不仅需要额外的一倍片上面积来用作参考区，还需要片外的微流体设备来控制液体只流到检测区，这大大增加了传感器芯片实现的成本和复杂度，限制了其大规模生产应用。