基于核酸适体传感器的ATP浓度检测系统设计

姜利英，岳保磊，梁茂，周鹏磊，肖小楠

（郑州轻工业学院，电气信息工程学院，河南郑州450002）

摘要：针对核酸适体电流型传感器信号弱、噪声高、测量难的特点，设计一种可准确检测三磷酸腺苷（ATP）浓度的核酸适体传感器检测电路。该电路主要包括恒电位电路、I/V 转换电路、多级放大电路、带通滤波和锁相放大电路。利用循环伏安法研究并分析了核酸适体传感器的输出电压与被测物ATP浓度之间的关系。测试结果表明：电流型核酸适体传感器检测系统具有很高的信噪比、较好的灵敏度和线性度，线性度为0.994 0，能够满足现场快速准确测试的需求。

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关键词 ：核酸适体传感器；ATP浓度；微电流检测；锁定放大；电路测试

中图分类号：TN98?34；TP216 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）14?0120?04

收稿日期：2015?01?25

基金项目：国家自然科学基金项目（61002007）；河南省科技创新人才计划项目（124100510001）

0 引言

ATP是体内组织细胞一切生命活动所需能量的直接来源，可促使机体各种细胞的修复和再生，增强细胞代谢活性[1]。细胞内ATP浓度与活细胞数量密切相关：细胞代谢受损时，ATP合成下降；细胞死亡时，在酶的作用下，ATP迅速水解消失；因此迅速而准确地测定细胞内ATP浓度在研究细胞乃至机体的生理活性和代谢过程以及临床诊断方面都有非常重要的意义。

现有ATP检测法包括定磷法、荧光素酶法、质谱法等，但这些方法所需要的仪器价格昂贵且只能在实验室内完成，无法满足现场检测要求。因此发展简便迅速的ATP检测系统意义重大。本文通过对低噪声放大技术、锁相放大技术的研究，设计了基于核酸适体传感器的ATP浓度检测电路，实现了检测系统的精确性、便携式和智能化。测试结果表明该系统能快速准确检测出ATP浓度，解决了现场检测的诸多不便。

1 检测原理

用于检测ATP浓度的核酸适体传感器是利用微机电系统（Micro Electro Mechanical Systems，MEMS）加工技术、薄膜技术并结合电化学沉积技术制备的基于共面薄膜金电极的高灵敏度传感器，本传感器采用三电极体系如图1 所示，即工作电极（Working Electrode，W）、对电极（Counter Electrode，

核酸适体传感器工作电极表面的适体采用巯基固化的单链DNA（ssDNA）或双链DNA（dsDNA）进行修饰。由于核酸适体与ATP有高亲和力和选择性，当引入ATP后，核酸适体与ATP相结合，工作电极表面产生负电荷。当在对电极上施加激励电压，工作电极与对电极之间发生氧化还原反应形成电流，该电流大小与ATP浓度有一定的关系，通过对工作电极电流信息进行检测分析，可知对应的ATP浓度。

2 检测电路设计

检测系统主要由激励信号（三角波）、恒电位电路、信号调理（I/V 转换、多级放大、带通滤波）和锁相放大组成，系统框图如图2所示。激励信号电路产生的三角波电压通过恒电位电路循环加在核酸适体传感器上，I/V转换电路将工作电极产生的电流转换成电压，再经过多级放大和带通滤波电路进行信号调理，通过锁相放大电路去除噪声，得到ATP浓度与输出电压关系曲线图。

2.1 激励信号产生模块及恒电位电路

激励信号是由单片机配合RC低通电路所产生的三角波，并将信号加到恒电位电路输入端，如图3所示。

运放OP1 与OP2 组成恒电位电路，恒电位电路的主要作用是将一个稳定的工作电压施加到传感器上，解决电化学反应过程中工作电位偏移的问题[2]，其工作原理如下：

由此可知：参比电极的电位与电化学反应过程中产生的电流无关，只与输入的激励电压与电阻有关，从而实现了恒电位功能。

2.2 信号调理电路

信号调理电路由I/V 转换电路、多级放大电路、带通滤波电路组成。本电路将核酸适体传感器得到的电流信号转换为电压信号，经放大电路放大后，通过带通滤波器保留所需频带信号。

2.2.1 I/V 转换和多级放大电路

传统的I/V 转换电路由运算放大器和反馈电阻并联组成。受运算放大器和反馈电阻的输入阻抗限制，过大的反馈电阻会使阻值的精度降低、稳定性变差、噪声增大。图4所示为改进后的T型I/V 转换电路。

核酸适体传感器在三角波电压激励下工作电极产生电流，大小约为4×10-8A，经I/V 转换电路转换成mV级以上电压。该电路的反馈电阻：

式中:R 表示电路总反馈电阻；R′表示上半部分电阻；R″表示下半部分电阻。接到输出端分压电阻上，通过并联负反馈增大反馈电阻，构成并联负反馈的各电阻的阻值都不需要太大，就可以得到足够大的总反馈电阻，从而降低电阻噪声。

多级放大电路中第一级放大电路对总噪声的影响最大，系统的总噪声系数由第一个放大电路的噪声系数决定[3]。第一级放大电路所选用的元器件应为低噪声、高精度的器件。放大电路图如图5所示，该级放大电路采用反向输入方式，输入电阻R20为10 kΩ，反馈电阻R24为100 kΩ，放大倍数n = - R24 R20 = -10 。其中电容C10的作用是进行相位补偿，避免运放产生自激振荡。

2.2.2 带通滤波电路

本设计采用通用芯片UAF42 设计中心频率为10 kHz的带通滤波器进行信号处理，滤除被测信号频率以外的其他频率信号，提高检测系统的信噪比。UAF42芯片具有自带的filter 仿真设计软件和不同品质因数、不同类型的滤波器连接图[4]。UAF42 设计带通滤波器时只需外接三个电阻，电路简单且容易实现。

基于上述优点本设计采用UAF42 通用芯片设计了中心频率为10 kHz的带通滤波器，设计参数图、设计电路图分别如图6、图7所示。

2.3 锁相放大电路

锁相放大过程是利用调制器将待测微弱直流或缓变信号变换成高频交流信号，对其放大后再解调恢复出原始信号。该过程滤除了原信号中的低频噪声（1 f 噪声），同时避免了直流放大器的直流漂移偏差。锁相放大器的基本结构如图8所示，包括信号通道、参考通道、相敏检测器（PSD）和低通滤波器（LPF）等[5]。

本电路的输入信号为10 kHz正弦波与前端低频信号调制后的信号，参考信号为10 kHz的正弦信号。在信号通道内对调制信号进行交流放大，再由带通滤波器滤除其他频率信号干扰，同时对信号进行放大处理以满足相敏检测的工作电压，相敏解调后的信号再通过低通滤波器恢复出待测低频信号，从而实现频带的搬移和消除低频噪声。采用相敏解调芯片AD630搭建的相敏检测电路如图9所示。

式中：右边的第1项为调制信号与参考信号的差频项；第2项为调制信号与参考信号的和频项；第3项为噪声信号与参考信号的和频项；第4项为噪声信号与参考信号的差频项。经过低通滤波器后输出为第1 项0.5VsVr cos(ω0 t + θ)和第4项中|ωn | - ω0 < BL（LPF的等效噪声带宽）的噪声，只要LPF的等效噪声带宽足够窄，就可以得到满意的信噪比[6]。

3 实验结果

为了研究核酸适体传感器检测ATP浓度与输出电压的关系，对标定不同浓度的ATP溶液分别进行检测，得出对应的输出电压值如表1所示。

由表1 可知，随着ATP 浓度的不断增大，输出电压值也随着增大。为了进一步研究ATP浓度输出电压值进行作图，如图10所示。可以看出，核酸适体与ATP结合后，在ATP浓度为5~100 nmoL/L时，输出电压与ATP浓度表现出良好的线性关系，相关系数R2 = 0.994 0 。

4 结语

本文设计的核酸适体传感器检测系统具有成本低、精度高、便携式的特点，电路具有较强的扩展能力，通过调整滤波器参数，可实现更宽频带信号的测量。同时，多次进行的测试证明了该核酸适体传感器检测电路性能稳定、抗噪能力强，可实现1×109 A电流检测放大，完全能够满足ATP浓度检测范围的要求。

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参考文献

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[2] 姜利英，张艳，王芬芬，等.基于核酸适体ATP测试的电化学测试系统设计[J].仪表技术与传感器，2013（11）：47?49.

[3] 张金利，景占荣，梁亮，等.微弱信号的调理电路设计和噪声分析[J].电子测量技术，2007（11）：40?42.

[4] 邓勇，刘琪，施文康.通用有源滤波器UAF42的CAD软件：FIL?TER42[J].国外电子器件，2010（11）：18?21.

[5] 高晋占.微弱信号检测[M].北京：清华大学出版社，2011.

[6] 闫行，朱荣.基于传感器微弱电流矢量检测电路的设计[J].自动化与仪表，2011（1）：13?16.

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[8] 王蜜霞，刘军涛，刘儒平，等.基于FPGA的高精度光子计数检测系统研究[J].传感器与微系统，2011（2）：20?22.

[9] 闫瑞芳，苗江欢，孙波.信号抑制型三磷酸腺苷电化学发光体传感器的研究[J].中国化工贸易，2011（10）：55?56.

[10] 陈鸣，府伟灵，吴蓉，等.肽核酸压电基因传感器新型生物信号放大系统的研究[J].中华检验医学杂志，2005（11）：1193?1196.

作者简介：姜利英（1981—），女，河南郑州人，副教授，博士。主要研究方向生物传感器及其检测系统。

岳保磊（1987—），男，河南驻马店人，硕士研究生。主要研究方向传感器及其检测系统。

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