基于核酸適體傳感器的ATP濃度檢測系統(tǒng)設(shè)計

姜利英+岳保磊+梁茂+周鵬磊+肖小楠

摘 要： 針對核酸適體電流型傳感器信號弱、噪聲高、測量難的特點，設(shè)計一種可準(zhǔn)確檢測三磷酸腺苷（ATP）濃度的核酸適體傳感器檢測電路。該電路主要包括恒電位電路、I/V轉(zhuǎn)換電路、多級放大電路、帶通濾波和鎖相放大電路。利用循環(huán)伏安法研究并分析了核酸適體傳感器的輸出電壓與被測物ATP濃度之間的關(guān)系。測試結(jié)果表明：電流型核酸適體傳感器檢測系統(tǒng)具有很高的信噪比、較好的靈敏度和線性度，線性度為0.994 0，能夠滿足現(xiàn)場快速準(zhǔn)確測試的需求。

關(guān)鍵詞： 核酸適體傳感器； ATP濃度； 微電流檢測； 鎖定放大； 電路測試

中圖分類號： TN98?34； TP216 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）14?0120?04

0 引 言

ATP是體內(nèi)組織細胞一切生命活動所需能量的直接來源，可促使機體各種細胞的修復(fù)和再生，增強細胞代謝活性[1]。細胞內(nèi)ATP濃度與活細胞數(shù)量密切相關(guān)：細胞代謝受損時，ATP合成下降；細胞死亡時，在酶的作用下，ATP迅速水解消失；因此迅速而準(zhǔn)確地測定細胞內(nèi)ATP濃度在研究細胞乃至機體的生理活性和代謝過程以及臨床診斷方面都有非常重要的意義。

現(xiàn)有ATP檢測法包括定磷法、熒光素酶法、質(zhì)譜法等，但這些方法所需要的儀器價格昂貴且只能在實驗室內(nèi)完成，無法滿足現(xiàn)場檢測要求。因此發(fā)展簡便迅速的ATP檢測系統(tǒng)意義重大。本文通過對低噪聲放大技術(shù)、鎖相放大技術(shù)的研究，設(shè)計了基于核酸適體傳感器的ATP濃度檢測電路，實現(xiàn)了檢測系統(tǒng)的精確性、便攜式和智能化。測試結(jié)果表明該系統(tǒng)能快速準(zhǔn)確檢測出ATP濃度，解決了現(xiàn)場檢測的諸多不便。

1 檢測原理

用于檢測ATP濃度的核酸適體傳感器是利用微機電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）加工技術(shù)、薄膜技術(shù)并結(jié)合電化學(xué)沉積技術(shù)制備的基于共面薄膜金電極的高靈敏度傳感器，本傳感器采用三電極體系如圖1所示，即工作電極（Working Electrode，W）、對電極（Counter Electrode，C）和Ag/AgCl參比電（Reference Electrode，R）。

核酸適體傳感器工作電極表面的適體采用巰基固化的單鏈DNA（ssDNA）或雙鏈DNA（dsDNA）進行修飾。由于核酸適體與ATP有高親和力和選擇性，當(dāng)引入ATP后，核酸適體與ATP相結(jié)合，工作電極表面產(chǎn)生負電荷。當(dāng)在對電極上施加激勵電壓，工作電極與對電極之間發(fā)生氧化還原反應(yīng)形成電流，該電流大小與ATP濃度有一定的關(guān)系，通過對工作電極電流信息進行檢測分析，可知對應(yīng)的ATP濃度。

圖1 基礎(chǔ)電極的形狀

2 檢測電路設(shè)計

檢測系統(tǒng)主要由激勵信號（三角波）、恒電位電路、信號調(diào)理（I/V轉(zhuǎn)換、多級放大、帶通濾波）和鎖相放大組成，系統(tǒng)框圖如圖2所示。激勵信號電路產(chǎn)生的三角波電壓通過恒電位電路循環(huán)加在核酸適體傳感器上，I/V轉(zhuǎn)換電路將工作電極產(chǎn)生的電流轉(zhuǎn)換成電壓，再經(jīng)過多級放大和帶通濾波電路進行信號調(diào)理，通過鎖相放大電路去除噪聲，得到ATP濃度與輸出電壓關(guān)系曲線圖。

圖2 檢測電路的原理框圖

2.1 激勵信號產(chǎn)生模塊及恒電位電路

激勵信號是由單片機配合RC低通電路所產(chǎn)生的三角波，并將信號加到恒電位電路輸入端，如圖3所示。

圖3 恒電位電路

運放 OP1與OP2組成恒電位電路，恒電位電路的主要作用是將一個穩(wěn)定的工作電壓施加到傳感器上，解決電化學(xué)反應(yīng)過程中工作電位偏移的問題[2]，其工作原理如下：

[Ur=Ua=VinR2R1] （1）

由此可知： 參比電極的電位與電化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的電流無關(guān)，只與輸入的激勵電壓與電阻有關(guān)，從而實現(xiàn)了恒電位功能。

2.2 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路由I/V轉(zhuǎn)換電路、多級放大電路、帶通濾波電路組成。本電路將核酸適體傳感器得到的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)放大電路放大后，通過帶通濾波器保留所需頻帶信號。

2.2.1 I/V轉(zhuǎn)換和多級放大電路

傳統(tǒng)的I/V轉(zhuǎn)換電路由運算放大器和反饋電阻并聯(lián)組成。受運算放大器和反饋電阻的輸入阻抗限制，過大的反饋電阻會使阻值的精度降低、穩(wěn)定性變差、噪聲增大。圖4所示為改進后的T型I/V轉(zhuǎn)換電路。

圖4 I/V轉(zhuǎn)換電路

核酸適體傳感器在三角波電壓激勵下工作電極產(chǎn)生電流，大小約為4×10-8A，經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成mV級以上電壓。該電路的反饋電阻：

[R=-R2+R4′+R5R11+R2//（R4″+R5）R3+R4′] （2）

式中：R表示電路總反饋電阻；R′表示上半部分電阻；R″表示下半部分電阻。 接到輸出端分壓電阻上，通過并聯(lián)負反饋增大反饋電阻，構(gòu)成并聯(lián)負反饋的各電阻的阻值都不需要太大，就可以得到足夠大的總反饋電阻，從而降低電阻噪聲。

多級放大電路中第一級放大電路對總噪聲的影響最大，系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)由第一個放大電路的噪聲系數(shù)決定[3]。第一級放大電路所選用的元器件應(yīng)為低噪聲、高精度的器件。放大電路圖如圖5所示，該級放大電路采用反向輸入方式，輸入電阻R20為10 kΩ，反饋電阻R24為100 kΩ，放大倍數(shù)[n=-R24R20=-10]。其中電容C10的作用是進行相位補償，避免運放產(chǎn)生自激振蕩。

2.2.2 帶通濾波電路

本設(shè)計采用通用芯片 UAF42 設(shè)計中心頻率為10 kHz的帶通濾波器進行信號處理，濾除被測信號頻率以外的其他頻率信號，提高檢測系統(tǒng)的信噪比。UAF42芯片具有自帶的filter 仿真設(shè)計軟件和不同品質(zhì)因數(shù)、不同類型的濾波器連接圖[4]。UAF42 設(shè)計帶通濾波器時只需外接三個電阻，電路簡單且容易實現(xiàn)。

基于上述優(yōu)點本設(shè)計采用UAF42 通用芯片設(shè)計了中心頻率為10 kHz的帶通濾波器，設(shè)計參數(shù)圖、設(shè)計電路圖分別如圖6、圖7所示。

圖5 第一級放大電路

圖6 10 kHz帶通濾波器的設(shè)計參數(shù)圖

圖7 10 kHz帶通濾波器的設(shè)計電路圖

2.3 鎖相放大電路

鎖相放大過程是利用調(diào)制器將待測微弱直流或緩變信號變換成高頻交流信號，對其放大后再解調(diào)恢復(fù)出原始信號。該過程濾除了原信號中的低頻噪聲（[1f]噪聲），同時避免了直流放大器的直流漂移偏差。鎖相放大器的基本結(jié)構(gòu)如圖8所示，包括信號通道、參考通道、相敏檢測器（PSD）和低通濾波器（LPF）等[5]。

本電路的輸入信號為10 kHz正弦波與前端低頻信號調(diào)制后的信號，參考信號為10 kHz的正弦信號。在信號通道內(nèi)對調(diào)制信號進行交流放大，再由帶通濾波器濾除其他頻率信號干擾，同時對信號進行放大處理以滿足相敏檢測的工作電壓，相敏解調(diào)后的信號再通過低通濾波器恢復(fù)出待測低頻信號，從而實現(xiàn)頻帶的搬移和消除低頻噪聲。采用相敏解調(diào)芯片AD630搭建的相敏檢測電路如圖9所示。

圖8 鎖相放大器的基本結(jié)構(gòu)圖

圖9 相敏檢測電路

輸入信號[x（t）]為[Vscos（ω0t+θ）]，噪聲信號[z（t）]為[Vncos（ωnt+α）]，參考信號[r（t）]為[Vrcosω0t]，經(jīng)過解調(diào)后的信號為[up（t）]，有：

[up（t）=x（t）?r（t）=0.5VsVrcos（ω0t+θ）+0.5VsVrcos（ω0t+θ）+ 0.5VnVrcos[（ω0+ωn）t+α]+0.5VnVrcos[（ωn-ω0）t+α]] （3）

式中：右邊的第1項為調(diào)制信號與參考信號的差頻項；第2項為調(diào)制信號與參考信號的和頻項；第3項為噪聲信號與參考信號的和頻項；第4項為噪聲信號與參考信號的差頻項。經(jīng)過低通濾波器后輸出為第1項[0.5VsVrcos（ω0t+θ）]和第4項中[ωn-ω0

3 實驗結(jié)果

為了研究核酸適體傳感器檢測ATP濃度與輸出電壓的關(guān)系，對標(biāo)定不同濃度的ATP溶液分別進行檢測，得出對應(yīng)的輸出電壓值如表1所示。

由表1可知，隨著ATP濃度的不斷增大，輸出電壓值也隨著增大。為了進一步研究ATP濃度輸出電壓值進行作圖，如圖10所示。可以看出，核酸適體與ATP結(jié)合后，在ATP濃度為 5～100 nmoL/L時，輸出電壓與ATP濃度表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)[R2=0.994 0]。

表1 ATP濃度不同時對應(yīng)的輸出電壓值

圖10 ATP濃度與輸出電壓關(guān)系曲線

4 結(jié) 語

本文設(shè)計的核酸適體傳感器檢測系統(tǒng)具有成本低、精度高、便攜式的特點，電路具有較強的擴展能力，通過調(diào)整濾波器參數(shù)，可實現(xiàn)更寬頻帶信號的測量。同時，多次進行的測試證明了該核酸適體傳感器檢測電路性能穩(wěn)定、抗噪能力強，可實現(xiàn)1×109 A電流檢測放大，完全能夠滿足ATP濃度檢測范圍的要求。

參考文獻

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