磁彈性傳感器芯片用于凝血酶原時間檢測的初步研究*

王剛林, 陳　曦, 廖彥劍

(1.重慶醫療器械質量檢驗中心，重慶 400015；2.重慶大學 生物工程學院，重慶 400044)

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磁彈性傳感器芯片用于凝血酶原時間檢測的初步研究*

王剛林1, 陳曦2, 廖彥劍2

(1.重慶醫療器械質量檢驗中心，重慶 400015；2.重慶大學 生物工程學院，重慶 400044)

設計了一種集成流路的磁彈性傳感器芯片，結合模塊化設計的磁彈性傳感器檢測電路構成了一個初步的實驗平臺，針對在醫學和臨床實踐中都有很重要意義的凝血系統功能的檢查，以凝血酶原時間(PT)為例，利用磁彈性傳感器芯片進行凝血酶原反應的過程檢測，可以得到凝血酶原時間參數。初步實驗結果證明了設計的有效性，同時，這種方法可以方便推廣到其他凝血因子的檢測方面，是一種可小型化、便攜式、芯片成本低廉的易于推廣的解決方案，有很好的應用前景。

磁彈性傳感器； 凝血酶原時間； 芯片

0　引　言

目前，凝血功能的檢測多采用大型全自動的凝血分析儀，主要采用磁珠法或光密度比濁法[1，2]，檢測凝血反應過程中當體系的粘度密度達到一定程度時造成在交變磁場中擺動的磁珠幅度低于某個閾值，或透過反應體系的光密度達到某個閾值的時間，將達到這個閾值的時間作為凝血時間。這些大型儀器技術成熟、自動化程度高、但體積龐大、價格昂貴，操作復雜，不適合中小型醫療單位推廣。利用新的檢測方法和傳感器，進行檢測系統的小型化的嘗試也一直是近年研究者關注的熱點，包括壓電傳感器和磁彈性傳感器等[3～5]，這類新的傳感器和檢測系統通常具有靈敏度高、可實時檢測、體積小、成本低廉等特點，特別是磁彈性傳感器，這是一種無線無源的傳感器，其敏感元件通常為無定形非晶薄膜合金帶材，體積非常小，很容易和微流控技術結合構成方便的一次性使用的芯片設計，磁彈性傳感器無線無源微型化的特性決定了它的廣闊應用前景，如在密閉容器中的無損測定、活體分析和在線分析等應用中具有其它傳感器所無法比擬的優勢，近年來逐漸成為物理、化學、生物醫學傳感檢測領域的研究熱點[6～10]。同樣，研究將磁彈性傳感器芯片應用于凝血時間檢測也將具有廣闊的應用前景。

1　檢測原理

對于非晶合金帶材的磁彈性傳感器，其基頻共振頻率為

(1)

式中L為合金帶材的長度，E為合金帶材的楊氏模量，ρ為合金帶材的密度，ν為泊松比。鐵基非晶合金表面負載質量變化后的共振頻率偏移量Δf為

(2)

其檢測質量靈敏度Sm為

(3)

這就是非晶合金帶材的磁彈性傳感器檢測的原理[13]，考慮到傳感器的基準頻率f0通常在100kHz以上，傳感器基礎質量通常在10-6kg以下，其檢測質量靈敏度可以輕易達到μg級別，并具有很高的檢測精度和檢測范圍。

如果將鐵基非晶合金磁彈性傳感器置于液體中，那么其共振頻率也會由于剪切力的損耗而減小。定義液體的密度為ρl，黏粘度為η。頻率偏移量Δf為

(4)

磁彈性傳感器共振頻率的偏移量與周圍液體的密度ρl及黏粘度η有關，當其它參數恒定時，周圍環境液體密度的增大或黏粘度的增大，均會導致磁彈性傳感器共振頻率的偏移量增大[12]。這是其檢測液體的密度ρl及黏粘度η的原理，同時也是利用磁彈性傳感器檢測凝血過程的原理。

2　芯片與檢測系統設計

系統采用單線圈的阻抗法檢測，通過分析磁彈性傳感器共振測量的阻抗法的基本原理，設計了一種模塊化參數檢測電路，系統基本模塊示意圖如圖1所示。

圖1　系統基本硬件模塊示意圖

根據設計需求，系統硬件劃分為MCU控制模塊、通信模塊、線圈模塊、直流偏置模塊、交流激勵模塊、響應信號檢測模塊和電源模塊等。其中直流電流偏置模塊為線圈提供一個直流偏置磁場，消除“倍頻”效應的影響使傳感器工作在線性區，模塊由Microchip公司的DAC芯片MCP4911提供可編程直流電壓，輸出電壓范圍為0～5 V，由于負載線圈的直流電阻恒定，電路進行阻抗匹配后即可得到可控直流電流以產生偏置磁場。交流激勵產生模塊的目的是根據不同的應用對象產生一個頻率和幅值均可程控調節的交流電流激勵信號，選用ADI公司的DDS芯片AD9850產生頻率可調的交流電壓信號，穩定輸出頻率范圍1 kHz～1 MHz，利用由TI公司的DAC7811與低偏置電壓運放OPA277構成程控增益電路調節信號幅值，可實現最大增益范圍為±40 dB，單位增益帶寬高達300 kHz。幅值信號檢測模塊利用真有效值電路進行幅值提取，采用凌特公司的LTC1968實現功能并輸出幅值對應的有效值信號，LTC1968輸出不受輸入信號幅值影響，小于500 kHz的輸入信號誤差僅為1 %，有效值信號輸出后通過TI公司的A/D芯片ADS8326完成數據采集，之后通過SPI將數據傳送至MCU進行處理。MCU為TI公司的MSP430F5529單片機，通過SPI總線完成對硬件功能模塊的控制，并通過RS—232串口與上位PC機進行通信。MSP430F5529是TI推出的最新一代具有集成USB的超低功耗單片機，可以應用于能量收集、無線傳感以及便攜式儀器等多種場合，是最低工作功耗的單片機之一。

3　實驗與討論

3.1檢測芯片制作

實驗使用磁彈性傳感器由鐵基非晶合金帶材國標1K101制成，購自北京安泰科技有限公司。帶材經激光加工成20 mm×4 mm的長方形薄片，厚度為28 μm。為了去除材料殘余應力，傳感器使用乙醇超聲清洗30 min后，使用真空干燥箱加熱至200 ℃退火2 h，過程中保持真空環境10-3Torr。

檢測芯片為T型，如圖2所示，可插入檢測線圈中，保證均勻磁場環境。芯片流路包括兩個進樣通道，一個排出通道，以及反應和廢液腔室。通道寬度500 μm，深度500 μm，反應腔室尺寸為22 mm×5 mm，腔室深度500 μm，處理過的傳感器即置于反應腔室中。芯片采用PMMA經激光加工制成，熱壓鍵合。

圖2　傳感器芯片圖

檢測系統整體裝置如圖3所示。

圖3　檢測系統

3.2實驗過程

實驗使用血樣獲取自一名27歲健康男性志愿者，采用靜脈采血方式，使用1∶9枸櫞酸鈉真空采血管抗凝保存，經過3 000 r/min離心10 min后靜止分層，取上層血漿作為實驗樣本血漿。凝血酶原時間(prothrombin time,PT)檢測使用促凝劑購自武漢中太生物科技有限公司，試劑的主要成分為兔腦提取物，促凝溶液含有氯化鈣可對抗凝血漿進行復凝。實驗中抗凝血漿、促凝劑以及檢測芯片均經過37 ℃預溫。

實驗時將檢測芯片插入線圈中，使用微量輸液泵進行加樣操作，同時由兩個進樣孔分別按30 μL/s和60 μL/s的速度加入抗凝血漿和促凝劑。加樣持續1 s，使血漿和促凝劑按1∶2比例混合并充滿反應腔室，加樣完成同時開始進行掃描檢測記錄數據。

3.3結果與討論

對該血液樣品進行了6次實驗，實驗結果具有較好的重復性，但由于樣本量及實驗次數較少，未進行統計分析。現僅取一次實驗數據進行說明，其中一次實驗得到掃頻響應結果如圖4(a)所示，圖中共振點隨凝血反應進程不斷變化，針對其變化進行分析得到共振幅值—時間曲線如圖4(b)所示，圖中傳感器共振響應幅值隨凝血反應進行而減小，可以反映出血漿凝固過程中纖維蛋白不斷生成，溶液粘度增大的凝血反映過程。根據PT檢測原理，取結果曲線微分首次過零點為反應開始時刻，取絕對值最大點即反應速度最快處作為終止時刻。經計算可得PT檢測時間結果為12.37 s，屬于11～14 s正常參考范圍，初步表明本文方法具有一定的可行性。

圖4　凝血掃頻檢測3D結果圖與共振幅值時間變化結果

4　結　論

本文設計了一種集成流路的磁彈性傳感器芯片，結合模塊化設計的磁彈性傳感器檢測電路構成了一個初步的實驗平臺，針對在醫學和臨床實踐中都有很重要意義的凝血系統功能的檢查，以PT為例，利用磁彈性傳感器芯片進行凝血酶原反應的過程檢測，可以得到凝血酶原時間參數。初步實驗結果證明了設計的有效性，同時，這種方法可以方便推廣到其他凝血因子的檢測方面，并且，這是一種可小型化、便攜式、芯片成本低廉的易于推廣的解決方案，有很好的應用前景。

[1]蘇學飛,陳廣新,左中越.全自動凝血儀在臨床的應用[J]．國際醫藥衛生導報，2003,9(18):77-78.

[2]田寧,黃山,張健.自動凝血分析方法與技術的進展[J]．現代醫學儀器與應用，2001,5(4):288-289.

[3]Cakmak E,Ermek Kilinc N.A cartridge-based sensor array platform for multiple coagulation measurements from plasma[J].Lab on a Chip,2015,15:113-120.

[4]Lin Tsun-Mei,Cheng Tzong-Jih,Wu Tsui-Hsun,et al.Comparing a piezoelectric quartz crystal with an optical coagulometer in monitoring high-dose heparin therapy by determining whole blood activated partial thromboplastin time and activated clotting time[J].Sensors and Actuators B,2005,109:270-277.

[5]Libby G Puckett,Gary Barrett,Dimitris Kouzoudis,et al.Monitoring blood coagulation with magnetoelastic sensors[J].Biosensors and Bioelectronics,2003,18:675-681.

[6]Tsai Hung-Yih,Lin Rong-Shine,Chen Jeng-Shyong,et al.Design of a non-contact strain sensor based on amorphous ribbons[J].Sensors and Actuators A:Physical,2013,199:37-42.

[7]Kouzoudis D,Grimes C A.Remote query fluid-flow velocity mea-surement using magneto-elastic thick-film sensors[J].Appl Phys,2000,87:6301-6303.

[8]Jain M K,Schmidt S,Ong K G,et al.Magnetoacoustic remote query temperature and humidity sensors[J].Smart Materials and Structures,2000,9(4):502-510.

[9]Ruan C,Ong K G,Mungle C,et al.A wireless pH sensor based on the use of salt-independent micro-scale polymer spheres[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2003,96(1):61-69.

[10] Park Mi-Kyung,Park Jang Won,Wikle Howard C,et al.Evaluation of phage-based magnetoelastic biosensors for direct detection of salmonella typhimurium on spinach leaves[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2013,176:1134-1140.

[11] Zeng K F,Paulose M.Frequency-domain characterization of magnetoelastic sensors:A microcontroller-based instrument for spectrum analysis using a threshold-crossing counting technique[J].Sensors and Actuators A:Physical,2005,121(1):66-71.

[12] 李黎明,黃忠全,鄭小林.基于阻抗原理的磁彈性傳感器測試儀設計[J].傳感器與微系統,2013,32(12):120-123.

廖彥劍，通訊作者，E—mail：azurelyj@163.com。

Preliminary study of magnetoelastic sensor chip for prothrombin time measurement*

WANG Gang-lin1, CHEN Xi2, LIAO Yan-jian2

(1.Quality Inspection Center of Medical Device，Chongqing 400015，China;2.College of Bioengineering，Chongqing University，Chongqing 400044，China)

Design a magnetoelastic sensor chip with integrated flow path,and combining with modular designed detecting circuits,constitute a preliminary experimental platform.It has great potentials to be used for the functional examination of coagulation system,e.g.the prothrombin time(PT),which is of great significance in medicine and clinical practice.The PT parameter can be obtained by detecting the prothrombin reaction process using developed magnetoelastic sensor chip.Experimental results demonstrate the effectiveness of the design.Meanwhile, this method can be easily extended to measure other blood coagulation factors.Moreover,as a kind of small,portable,low-cost，easy to promote solution,it possess broad application foreground.

magnetoelastic sensor; prothrombin time(PT); chip

10.13873/J.1000—9787(2016)09—0017—03

2016—06—02

重慶市重點產業共性關鍵技術創新專項項目(CSTC2015ZDCY—ZTZXX0002)

TP 212.3

A

1000—9787(2016)09—0017—03

王剛林(1975-)，男，重慶人，高級工程師，從事醫療儀器設計，醫療器械產品質量檢驗與標準化研究等工作。