生物傳感器阻抗信號測量系統設計與實現

王濤　劉洋　左月明

摘 要 針對生物傳感器抗體、抗原特異性結合引起電極兩端阻抗值的變化，設計一種可在20Hz-10MHz范圍頻率內對生物傳感器阻抗信號進行測量的系統。文中給出阻抗測量原理，電路的設計與方法，并對該系統進行初步測試，結果表明，該系統可在寬頻范圍內測量阻抗參數。

關鍵詞 生物傳感器 阻抗 測量 寬頻

1 引 言

生物傳感器阻抗信號是指免疫生物傳感器利用導電聚合物（聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩）將抗體固定在免疫傳感器工作電極表面，通過固定抗體與抗原之間特異性分子識別，免疫傳感器表面界面電荷、電容、電阻、質量以及厚度都會發生變化，從而引起電極表面阻抗的變化[1，2]。對生物傳感器阻抗信息（包含實部和虛部）的快速準確測量，將為進一步分析抗原抗體之間的相互作用提供保證。

常規阻抗測量系統在不同程度上存在操作繁瑣、價格高昂、不方便攜帶等問題，與生物傳感器阻抗實際測量要求有較大差距。鑒于此，本文提出一種測試頻帶較寬，精度適當，標定簡單，且系統小型便攜的電阻抗測量系統。該系統主要由信號源、阻抗/電壓轉換電路、乘法解調電路及其它外圍電路組成。

2 阻抗測量原理

電阻抗測量系統的信號源可以是電流源或者電壓源，一般情況下采用電流驅動、電壓測量的方式；而采用電壓驅動、電流測量的方式同樣也可以得到電阻抗特性，但需要阻抗/電壓轉換電路將被測電流轉換成電壓。傳統的單一測量頻率，只取阻抗模量的測量方法，已無法滿足實際測量要求，因此可以利用雙向鎖相放大原理來提取阻抗的模量與相角，或者是實部與虛部。其原理框圖如圖1所示。

通過阻抗/電壓變換電路將阻抗的測量轉換成兩電壓之比的測量。再將U1移相90°作為參考信號，并利用雙向鎖相放大原理將實部與虛部分離。

3 硬件系統設計

3.1 信號源設計

信號源是電阻抗測量系統中的重要組成部分。為獲得相關電阻抗信息，系統不僅要求施加于被測量阻抗的正弦信號波形失真小、幅值穩定，而且為獲得不同頻率下復阻抗信息的變化規律，還要求信號源輸出的正弦信號具有點頻、掃頻功能，且幅值和相位可調。

本系統采用單片機STC12L5620AD控制美國ADI公司的AD9854型直接數字頻率合成芯片DDS產生頻率和幅值均可調的兩路正交信號[3，4]。其電路設計如圖2所示。

在高穩定度時鐘驅動下，信號源產生一高穩定的頻率、相位、幅值可編程的兩路正交信號：

由于AD9854輸出端帶有內部時鐘干擾成分，在每個輸出端都要設置一個LC低通濾波器，其截止頻率為120MHz，可較好地濾除干擾。此外，為消除工頻信號的干擾，又將兩路正交信號分別進行陷波處理。

3.2 阻抗/電壓轉換電路

阻抗/電壓轉換電路是電阻抗測量中的關鍵部分。以小振幅的正弦電壓作為擾動信號加到被測阻抗上，阻抗/電壓變換電路負責將流入被測阻抗的微弱電流信號轉化為電壓信號，利用阻抗隨頻率的增加而減小的特點，在此電路設計中選用兩種運算放大器。一種是高輸入阻抗運算放大器；另一種是寬頻運算放大器。在低頻時，阻抗值大，這時選用高輸入阻抗運算放大器；在高頻時，阻抗值變小，選用寬頻運算放大器。

阻抗/電壓變換電路設計如圖3所示。對被測阻抗進行測量時需要進行分段測量。當需要測量頻率范圍在20Hz-200KHz時的阻抗時，選用OPA604AP設計的阻抗/電壓變換電路；當需要測量頻率范圍在200KHz-10MHz時的阻抗時，選用THS4011CD設計的阻抗/電壓變換電路。

阻抗測量是一種頻率域的測量，所以在設計電路時應充分考慮阻抗的容抗特性。經面包板反復測試，串聯電阻取R33= R36=1K，反饋電阻取R34= R37=10kΩ， 且為精密電阻（0.1%）。則有

3.3 乘法解調電路

乘法解調電路是阻抗測量中的另一重要組成部分，通過相乘作用分離出阻抗的實部和虛部，完成阻抗測量。這就要求模擬乘法器具有較寬的頻帶，較高的乘方精度和較低的失真。美國ADI公司推出的寬頻帶高性能模擬乘法器AD834，工作帶寬為500MHz，已廣泛應用于高頻信號調理電路中[5]。 AD834在本系統中的應用如圖4所示。

以X2和Y1作為兩個相乘輸入端，引腳X1、Y2均與地相連，由于X、Y端均有的偏置電流，會在輸入端產生失調電壓，為消除該失調電壓，在輸入信號端口X2、Y1與地之間分別并聯49.9Ω的去耦電阻。

電路中AD834輸出為雙端對稱輸出，如果想要得到單端輸出，則可把圖4輸出信號耦合到下一級運放，轉換電路如圖5所示。

如果選擇截止頻率遠小于2ω的低通濾波器，則可獲得與相移成比例的直流分量。

3.4 低通濾波電路設計

為分離阻抗的實部與虛部，乘法解調電路的輸出端各接有一低通濾波電路，用于提取直流分量。其電路如圖6所示。

同時為濾除前級信號中的交流成分獲取直流分量，R86、C92構成RC低通濾波網絡，濾波電路截止頻率越低越好，但是低通濾波器截止頻率對應的時間常數決定測量系統的響應時間[6]。濾波器的帶寬越窄，除去噪聲的能力就越強。為權衡這二者之間關系，C92=10uF，這時低通濾波器的截止頻率為：

前級乘法解調電路輸出信號經低通濾波電路濾除2倍頻分量，可獲得與阻抗實部、虛部成比例的電壓信號：

從而將阻抗的實部和虛部分離。另外，此阻抗測量系統還有其它外圍電路的設計，在此不再詳述。

4 軟件設計

本系統軟件設計主要是對單片機的程序進行編寫。總體流程圖如圖7所示。

程序開始時，運行初始化程序，包括初始化單片機STC12L5620AD、AD89C52、初始化DDS芯片AD9854等。則具體步驟為：

（1）初始化串口，配置定時器。允許串行口中斷，允許定時器0中斷，設置定時器初值。

（2）信號產生；對AD9854進行初始化控制。將MRESET、UPDCLK、WR引腳全部清零，主復位。然后MRESET引腳保持20個系統周期的高電平。

（3）程控放大。

5 初步測試

為了驗證上述設計的電阻抗測量系統的可用性，本文以R-C并聯為被測量阻抗，對設計的阻抗測量系統模擬電路部分進行了初步測試，測量時將每隔十倍阻值的電阻與每隔十倍電容值的電容進行配對構成并聯電路，將它作為被測對象，測量其在不同頻率下的阻抗值，測量結果如表1所示。

試驗表明在阻抗范圍10Ω-100MΩ、頻率范圍100Hz-10MHz條件下有較好的測量精度，模量測量誤差基本在1%以內，相角測量誤差在9%以內；而對于歐姆級阻抗及在頻率20Hz和100MHz時測量精度不是太高，模量測量誤差在5%以內，相角測量誤差在11%以內，需要進一步改進。

6 結論

針對生物傳感器輸出阻抗信號的特點，本章節采用雙向鎖相放大原理，提出可在20Hz-10MHz范圍內對生物傳感器阻抗信號進行快速測量的電阻抗測量系統方法，并對該系統模擬電路部分做一試驗樣板，進行實際測試。從測試結果可以看出，測量系統對于歐姆級阻抗測量精度不是太高，需進一步的改進，但該系統還是能在寬頻帶范圍內快速測定阻抗參數，并能很好地將阻抗的實部與虛部分離，且頻率范圍寬，測試速度快，精度高，在此研究基礎上，進一步開展基于生物傳感器阻抗信號的便攜式檢測設備的研究。

參考文獻

[1] Muhammad-Tahir， Z，Alocilja， E. Fabrication of a disposable biosensor for Escherichia coli O157：H7 detection. IEEE Sensors Journal， 2003， 3（4）：345-351.

[2] Yang L，Li Y，Erf G F.Interdigitated array microelectrode—based electrochemical impedance immunosensor for detection of Escheriehia coli O157：H7 [J].Anal Chem，2004，76（4）：1107-1113.

[3] 陶益凡，唐慧強，黃勛. 基于AD9854的信號發生器設計[J]. 電子設計. 2006.22（2）：241-243.

[4] Analog Device Inc. AD9854 CMOS 300 MSPS Quadrature Complete DDS Data Sheet， 2002-2007.

[5] Analog Device Inc. AD834 500MHz Four Quadrant Multiplier， Data Sheet， 1998.

[6] 尤富生，董秀珍，史學濤，等.生物電阻抗模擬解調技術的研究[J]. 北京生物醫學工程，2004，23（1）：21-23.