生物传感器阻抗信号测量系统设计与实现

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1、《现代仪器与医疗》2013年第19卷第6期研制开发生物传感器阻抗信号测量系统设计与实现*DesignandImplementationofImpedanceSignalMeasurementSys-temforBiosensors11王涛** 刘洋2摘 要 针对生物传感器抗体、抗原特异性结合引起电极两端阻抗值的变化，设计左月明WangTao1LiuYang1一种可在20Hz-10MHz范围频率内对生物传感器阻抗信号进行测量的系统。文中给ZuoYueming2出阻抗测量原理，电路的设计与方法，并对该系统进行初

2、步测试，结果表明，该系统可在宽频范围内测量阻抗参数。(1.乌兰察布职业学院机电技术关键词 生物传感器阻抗测量宽频系 集宁 012000；2.山西农业大学工学院 太谷 030801)AbstractAntibodyandantigenspecificcombinationcauseimpedancevalueschangesof(1.Electromechanicaltechnologybiosensor’selectrodes.Wepresentaimpedancesignalmeasurementsyst

3、emforbiosensordepartmentofWulanchabuVocationalwithinthefrequencybetween20Hz-10MHz.ThispapergivestheimpedancemeasurementCollegeJining012000;2.Engineer-principleanddesignandmethodsofcircuit.TestresultsshowsthatthesystemcanmeasureingCollegeofShanxiAgricultura

4、limpedanceparameterswithinthewideband.UniversityTaigu030801)KeywordsBiosensorImpedanceMeasurementWideband中图分类号:TP391  文献标识码:A  文章编号:2055-5200(2013)06-001-051 引 言足实际测量要求，因此可以利用双向锁相放大原理来提生物传感器阻抗信号是指免疫生物传感器利用导电聚取阻抗的模量与相角，或者是实部与虚部。其原理框图合物（聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩）将抗体固定在免疫传

5、感如图1所示。器工作电极表面，通过固定抗体与抗原之间特异性分子识别，免疫传感器表面界面电荷、电容、电阻、质量以及厚[1,2]度都会发生变化，从而引起电极表面阻抗的变化。对生物传感器阻抗信息(包含实部和虚部)的快速准确测量，将为进一步分析抗原抗体之间的相互作用提供保证。常规阻抗测量系统在不同程度上存在操作繁琐、价格高昂、不方便携带等问题，与生物传感器阻抗实际测量要图1 阻抗测量原理图求有较大差距。鉴于此，本文提出一种测试频带较宽，精图中Z为被测阻抗，U1为加在被测阻抗上的电压，度适当，标定简单，且系统小型便携

6、的电阻抗测量系统。则有：该系统主要由信号源、阻抗/电压转换电路、乘法解调电RfU21=-U（1）路及其它外围电路组成。ZU12 阻抗测量原理Z=-Rf（2）U2电阻抗测量系统的信号源可以是电流源或者电压源，通过阻抗/电压变换电路将阻抗的测量转换成两电压一般情况下采用电流驱动、电压测量的方式；而采用电之比的测量。再将U1移相90°作为参考信号，并利用双压驱动、电流测量的方式同样也可以得到电阻抗特性，向锁相放大原理将实部与虚部分离。但需要阻抗/电压转换电路将被测电流转换成电压。传统3 硬件系统设计的单一测量频率

7、，只取阻抗模量的测量方法，已无法满*基金项目：国家自然科学基金项目（30871445）：多通道免疫型生物传感器响应机理及信息处理方法研究**作者简介：王涛，博士，研究方向：智能传感器设计，E-mailwtilyok@163.com1研制开发2013年第19卷第6期www.moderninstrs.org.cn3.1 信号源设计频、扫频功能，且幅值和相位可调。信号源是电阻抗测量系统中的重要组成部分。为获得本系统采用单片机STC12L5620AD控制美国ADI相关电阻抗信息，系统不仅要求施加于被测量阻抗的正弦公

8、司的AD9854型直接数字频率合成芯片DDS产生频[3,4]信号波形失真小、幅值稳定，而且为获得不同频率下复阻率和幅值均可调的两路正交信号。其电路设计如图2抗信息的变化规律，还要求信号源输出的正弦信号具有点所示。图2 信号源电路在高稳定度时钟驱动下，信号源产生一高稳定的频率、这时选用高输入阻抗运算放大器；在高频时，阻抗值变小，相位、幅值可编程的两路正交信号：选用宽频运算放大器。uU11=msin~t（3）阻抗/电