生物传感器阻抗信号测量系统设计与实现

王涛　刘洋　左月明

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。文中给出阻抗测量原理，电路的设计与方法，并对该系统进行初步测试，结果表明，该系统可在宽频范围内测量阻抗参数。

关键词 生物传感器 阻抗 测量 宽频

1 引 言

生物传感器阻抗信号是指免疫生物传感器利用导电聚合物（聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩）将抗体固定在免疫传感器工作电极表面，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、质量以及厚度都会发生变化，从而引起电极表面阻抗的变化[1，2]。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求有较大差距。鉴于此，本文提出一种测试频带较宽，精度适当，标定简单，且系统小型便携的电阻抗测量系统。该系统主要由信号源、阻抗/电压转换电路、乘法解调电路及其它外围电路组成。

2 阻抗测量原理

电阻抗测量系统的信号源可以是电流源或者电压源，一般情况下采用电流驱动、电压测量的方式；而采用电压驱动、电流测量的方式同样也可以得到电阻抗特性，但需要阻抗/电压转换电路将被测电流转换成电压。传统的单一测量频率，只取阻抗模量的测量方法，已无法满足实际测量要求，因此可以利用双向锁相放大原理来提取阻抗的模量与相角，或者是实部与虚部。其原理框图如图1所示。

通过阻抗/电压变换电路将阻抗的测量转换成两电压之比的测量。再将U1移相90°作为参考信号，并利用双向锁相放大原理将实部与虚部分离。

3 硬件系统设计

3.1 信号源设计

信号源是电阻抗测量系统中的重要组成部分。为获得相关电阻抗信息，系统不仅要求施加于被测量阻抗的正弦信号波形失真小、幅值稳定，而且为获得不同频率下复阻抗信息的变化规律，还要求信号源输出的正弦信号具有点频、扫频功能，且幅值和相位可调。

本系统采用单片机STC12L5620AD控制美国ADI公司的AD9854型直接数字频率合成芯片DDS产生频率和幅值均可调的两路正交信号[3，4]。其电路设计如图2所示。

在高稳定度时钟驱动下，信号源产生一高稳定的频率、相位、幅值可编程的两路正交信号：

由于AD9854输出端带有内部时钟干扰成分，在每个输出端都要设置一个LC低通滤波器，其截止频率为120MHz，可较好地滤除干扰。此外，为消除工频信号的干扰，又将两路正交信号分别进行陷波处理。

3.2 阻抗/电压转换电路

阻抗/电压转换电路是电阻抗测量中的关键部分。以小振幅的正弦电压作为扰动信号加到被测阻抗上，阻抗/电压变换电路负责将流入被测阻抗的微弱电流信号转化为电压信号，利用阻抗随频率的增加而减小的特点，在此电路设计中选用两种运算放大器。一种是高输入阻抗运算放大器；另一种是宽频运算放大器。在低频时，阻抗值大，这时选用高输入阻抗运算放大器；在高频时，阻抗值变小，选用宽频运算放大器。

阻抗/电压变换电路设计如图3所示。对被测阻抗进行测量时需要进行分段测量。当需要测量频率范围在20Hz-200KHz时的阻抗时，选用OPA604AP设计的阻抗/电压变换电路；当需要测量频率范围在200KHz-10MHz时的阻抗时，选用THS4011CD设计的阻抗/电压变换电路。

阻抗测量是一种频率域的测量，所以在设计电路时应充分考虑阻抗的容抗特性。经面包板反复测试，串联电阻取R33= R36=1K，反馈电阻取R34= R37=10kΩ， 且为精密电阻（0.1%）。则有

3.3 乘法解调电路

乘法解调电路是阻抗测量中的另一重要组成部分，通过相乘作用分离出阻抗的实部和虚部，完成阻抗测量。这就要求模拟乘法器具有较宽的频带，较高的乘方精度和较低的失真。美国ADI公司推出的宽频带高性能模拟乘法器AD834，工作带宽为500MHz，已广泛应用于高频信号调理电路中[5]。 AD834在本系统中的应用如图4所示。

以X2和Y1作为两个相乘输入端，引脚X1、Y2均与地相连，由于X、Y端均有的偏置电流，会在输入端产生失调电压，为消除该失调电压，在输入信号端口X2、Y1与地之间分别并联49.9Ω的去耦电阻。

电路中AD834输出为双端对称输出，如果想要得到单端输出，则可把图4输出信号耦合到下一级运放，转换电路如图5所示。

如果选择截止频率远小于2ω的低通滤波器，则可获得与相移成比例的直流分量。

3.4 低通滤波电路设计

为分离阻抗的实部与虚部，乘法解调电路的输出端各接有一低通滤波电路，用于提取直流分量。其电路如图6所示。

同时为滤除前级信号中的交流成分获取直流分量，R86、C92构成RC低通滤波网络，滤波电路截止频率越低越好，但是低通滤波器截止频率对应的时间常数决定测量系统的响应时间[6]。滤波器的带宽越窄，除去噪声的能力就越强。为权衡这二者之间关系，C92=10uF，这时低通滤波器的截止频率为：

前级乘法解调电路输出信号经低通滤波电路滤除2倍频分量，可获得与阻抗实部、虚部成比例的电压信号：

从而将阻抗的实部和虚部分离。另外，此阻抗测量系统还有其它外围电路的设计，在此不再详述。

4 软件设计

本系统软件设计主要是对单片机的程序进行编写。总体流程图如图7所示。

程序开始时，运行初始化程序，包括初始化单片机STC12L5620AD、AD89C52、初始化DDS芯片AD9854等。则具体步骤为：

（1）初始化串口，配置定时器。允许串行口中断，允许定时器0中断，设置定时器初值。

（2）信号产生；对AD9854进行初始化控制。将MRESET、UPDCLK、WR引脚全部清零，主复位。然后MRESET引脚保持20个系统周期的高电平。

（3）程控放大。

5 初步测试

为了验证上述设计的电阻抗测量系统的可用性，本文以R-C并联为被测量阻抗，对设计的阻抗测量系统模拟电路部分进行了初步测试，测量时将每隔十倍阻值的电阻与每隔十倍电容值的电容进行配对构成并联电路，将它作为被测对象，测量其在不同频率下的阻抗值，测量结果如表1所示。

试验表明在阻抗范围10Ω-100MΩ、频率范围100Hz-10MHz条件下有较好的测量精度，模量测量误差基本在1%以内，相角测量误差在9%以内；而对于欧姆级阻抗及在频率20Hz和100MHz时测量精度不是太高，模量测量误差在5%以内，相角测量误差在11%以内，需要进一步改进。

6 结论

针对生物传感器输出阻抗信号的特点，本章节采用双向锁相放大原理，提出可在20Hz-10MHz范围内对生物传感器阻抗信号进行快速测量的电阻抗测量系统方法，并对该系统模拟电路部分做一试验样板，进行实际测试。从测试结果可以看出，测量系统对于欧姆级阻抗测量精度不是太高，需进一步的改进，但该系统还是能在宽频带范围内快速测定阻抗参数，并能很好地将阻抗的实部与虚部分离，且频率范围宽，测试速度快，精度高，在此研究基础上，进一步开展基于生物传感器阻抗信号的便携式检测设备的研究。

参考文献

[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，唐慧强，黄勋. 基于AD9854的信号发生器设计[J]. 电子设计. 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，史学涛，等.生物电阻抗模拟解调技术的研究[J]. 北京生物医学工程，2004，23（1）：21-23.