基于LabVIEW的光寻址电位传感器实时测试系统

基于LabVIEW的光寻址电位传感器实时测试系统
邱恒明;梁晋涛;陈东;李桂银;黄勇
【摘要】以实现光寻址电位传感器( LAPS)实时测试为目的，设计了基于LabVIEW虚拟仪器平台的LAPS实时测试系统。

采用 LabVIEW 软件控制数据采集卡输出光源调制电压、直流偏置电压驱动LAP S产生光电流，光电流经跨阻放大器转换成电压信号输出到数据采集卡A/D输入端进行采集。

系统实时改变偏置电压，同时对该偏置电压下LAPS输出的光电流进行采集，并利用LabVIEW软件实时绘制LAPS的光电流-偏置电压( I-V)曲线。

系统测试结果表明：LAPS实时测试系统能准确地检测出磷酸盐( PBS)缓冲液的浓度，实现了测试过程的自动化和测试结果的实时显示。

%In order to realize the real-time test of Light Addressable Potentiometric Sensor ( LAPS) , the LAPS real-time tes-ting system based on LabVIEW virtual instrument platform was designed in this paper.The LabVIEW software was used to control the data acquisition card output dc-offset voltage and modulation voltage, that LAPS can produce photocurrent. Using trans-resist-ance amplifier translates photocurrent to voltage signal, and data acquisition card A/D input collected the voltage signal. The sys-tem collected the LAPS output photocurrent when changing the offset voltage in real time, and the photocurrent-offset voltage ( I-V) curve of LAPS was drawn by LabVIEW software.The system test results show that LAPS real time test system can accurately detect the concentration of phosphate buffer, achieving the automatization of testing course and display the result in real time.
【期刊名称】《仪表技术与传感器》
【年(卷),期】2016(000)010
【总页数】3页(P76-78)
【关键词】光寻址电位传感器;LabVIEW;实时测试
【作者】邱恒明;梁晋涛;陈东;李桂银;黄勇
【作者单位】桂林电子科技大学生命与环境科学学院，广西桂林 541004; 广西自动检测技术与仪器重点实验室桂林电子科技大学广西桂林541004;桂林电子科技大学生命与环境科学学院，广西桂林 541004; 广西自动检测技术与仪器重点实验室桂林电子科技大学广西桂林541004;西北工业大学电子信息学院，陕西西安710072;桂林电子科技大学生命与环境科学学院，广西桂林 541004; 广西自动检测技术与仪器重点实验室桂林电子科技大学广西桂林541004;桂林电子科技大学生命与环境科学学院，广西桂林 541004; 广西自动检测技术与仪器重点实验室桂林电子科技大学广西桂林541004
【正文语种】中文
【中图分类】TP212.3
光寻址电位传感器[1](light addressable potentiometric sensor，LAPS)是一种基于电解质溶液-绝缘体-半导体型(electrolyte-insulation-silicon,EIS)结构的生物传感器，具有灵敏度高、响应快、易于阵列化、可光寻址等特点，目前已经广泛应用于细胞、孢子、蛋白质、离子等的检测[2-4]。

在用生物传感器进行测试时，往往需要对被测样品进行连续、实时的监测[5]，而当前LAPS的检测系统主要是利用电化学工作站或者恒电位仪等仪器设计的，成本高、操作繁琐、测试效率低，无
法对生化反应进行实时监测。

文中以实现LAPS实时检测为目的，采用编程灵活、数据处理能力强大的LabVIEW虚拟仪器来代替真实的仪器设备，设计了一种基于虚拟仪器平台的LAPS实时测试系统。

LAPS的工作原理如图1所示。

EIS结构的LAPS实际上相当于一个电容器，当在LAPS底部金电极和溶液甘汞电极间加偏置电压时，在绝缘层和硅衬底之间会形成一定厚度的耗尽层(空间电荷区)。

当利用调制的激励光源(如LED、激光)照射硅片
底部，半导体吸收光子，发生电子从价带到导带的跃迁，在半导体中产生大量电子空穴对，一部分光生空穴将向空间电荷区扩散，在其电场作用下定向移动形成光电流。

通过调节加在电解液与硅片衬底之间的直流偏置电压，可以获得敏感区光电流随外加偏置电压变化的I-V响应曲线。

光电流的大小与偏置电压和绝缘层表面的电化学势相关，绝缘层表面电化学势的变化会使LAPS输出的I-V曲线也会发生左右偏移，根据该偏移量的大小可判断绝缘层表面的电化学势的变化情况。

测试过程的自动化和结果的实时显示是实现LAPS实时测试的需要。

LAPS实时检测系统采用PCIE-8620多功能高精度数据采集卡作为整个系统的硬件核心进行信
号输出和采集，使用LabVIEW软件进行数据处理与测试结果实时显示。

系统总体框图如图2所示，采用LabVIEW编程控制数据采集卡为LAPS提供直流偏置电压、光源调制电压，同时对跨阻放大器的输出信号进行采集，最后在上位机界面上进行LAPS输出I-V曲线的实时显示。

光源调制信号经光源驱动电路调理后驱动激光管(LD)发出调制光，通过透镜对入射激光进行聚焦并照射到LAPS硅片上。

同时，数据采集卡输出直流偏置电压作用于LAPS芯片上得到相应的光电流输出，光电流经跨阻放大器放大后经数据采集卡采集，由LabVIEW软件进行带通滤波和FFT变换后得到光电流大小。

通过LabVIEW软件控制数据采集卡实时改变直流偏置电压(即进行电压扫描)得到相应的LAPS光电流大小来绘制LAPS的实时I-V(光电流-偏置电压)曲线。

2.1 光源驱动电路设计
影响LAPS输出特性的因素主要包括光源波长、光源调制频率、光强、硅片厚度等[6]，当采用相同厚度的LAPS硅片时，维持光源恒定对改善LAPS输出特性起到
决定性作用。

为了维持光源恒定，采用压控式交流电流源给激光管提供输入电流，利用APC电路来控制激光管输出功率恒定。

压控式交流电流源主要由一个同相放
大器IC1、一个反相放大器IC2和一个扩流三极管构成，如图3所示。

当R1，R2，R3，R4电阻值相等时，输入的压控电压(即光源调制电压)为Vin和IC2的输出电
压UL经过R1和R3的分压后，使IC1的同相输入端电压为(Vin+UL)/2，经IC1
放大2倍后，IC1输出电压U0等于Vin+UL，而负载电压为UL，则R5两端的电压为U0-UL=Vin，流过R5和负载的电流恒等于I0= Vin/R5，因而不受到负载的影响。

压控电流源输出电流比较小，因此在其输出端接上三极管进行电流放大。

激光管APC电路是一种负反馈控制电路，通过闭环控制激光管的驱动电流，以达
到激光管出口光功率在全工作温度范围内保持恒定，如图4所示。

其工作原理是:
当激光管LD输出光功率下降(或增加)时，Ipd反馈电流下降(或增加)导致Q2基极电压降低(或增加)，那么Q2基极电流和Q2集电极电流会增加(或下降)，随之Q1基极电流和Q1集电极电流增加(或下降)，最终使Ild回路电流增加(或下降)，激光管输出光功率增加(或下降)。

LAPS的光源调制频率在1 000 Hz时，光电流幅度达到最大，且线性度较好，过
度区间大[6]，因此光源驱动电路的光源调制电压选用1 kHz正弦电压信号，正弦
调制信号幅值和偏移量的参数需要进行实验获得，利用信号发生器输出正弦信号驱动激光管工作，然后通过光电二极管FDS10X10检测激光波形，调节信号源输入
参数观察激光波形，并在其最大不失真范围内选择参数。

电流源APC光驱动电路
得到的稳定光源波形如图5所示。

2.2 LabVIEW程序设计
LabVIEW程序主要完成2个方面的功能：一是控制数据采集卡，输出正弦调制电压、直流偏置偏压驱动LAPS工作，并完成对LAPS光电流的采集；二是对光电流信号进行数字信号处理后，完成LAPS输出I-V曲线的绘制和保存。

电压信号的输出采用直接数字频率合成技术(DDFS)驱动数据采集卡产生。

LabVIEW软件对正弦波形进行取样、编码得到要输出波形的A/D原码储存在FIFO中，将其传送到D/A进行连续输出，通过改变数据采集卡取样频率及正弦信号每周期取样点数来进行波形频率设定。

直流偏置电压以扫描方式输出，扫描频率X和步进值Y通过数值输入控件输入，偏置电压初始输出-2 V，每隔1/X增加Y，当达到2 V时停止。

数据采集卡输出的偏置电压经甘汞电极和LAPS芯片底部的金电极接入LAPS外部回路，在调制光照射下，LAPS外部回路中会形成受调制的光电流。

LAPS输出的光电流经过AD549组成的跨阻放大器转换成mV级的电压信
号接入数据采集卡A/D输入端，即可实现对LAPS输出光电流的采集。

LAPS输出的光电流包括直流成分和交流成分，对检测电解质浓度来说有用的是1 kHz的交流部分，因此在LabVIEW程序中采用频带为900～1 100 Hz的三阶巴
特沃斯带通滤波器滤掉其直流成分及部分噪声干扰。

经过滤波处理，调用LabVIEW频谱测量函数测量光电流信号的FFT(快速傅里叶变换)峰值得到光电流
的幅值。

LabVIEW输出的直流偏置电压值与其对应LAPS输出光电流的幅值组成
二维数组，实时输送到LabVIEW提供的XY曲线图中，即可完成LAPS的I-V曲
线的实时更新显示。

实验使用pH值不变的磷酸盐(PBS)缓冲液作为测试对象来进行系统测试；使用N
型LAPS硅片(ρ= 1～5 Ω·cm,晶向<100>，厚度100 μm)，SiO2氧化层为100 nm，Si3N4层为50 nm；使用的激光管(LD)的波长为680 nm；测试环境温度为25 ℃。

利用系统分别对pH(pH=6，6.5，7，7.5，8)的缓冲液进行测试，LabVIEW示波器控件实时显示LAPS光电流的正弦波波形，其频率为1 kHz(与光
源调制频率一致)，峰峰值随偏置电压改变而改变，说明了系统能实时检测出LAPS 的光电流。

采用LabVIEW的XY图控件实时绘制LAPS的I-V曲线，系统对pH=6，6.5，7，7.5，8的PBS缓冲液进行检测的实验结果如图6所示。

图中pH=6，6.5，7，
7.5，8所对应的I-V曲线从左到右依次排开，在I-V曲线的拐点附近有25 mV左右的电压偏移量，能准确地检测出pH=0.5的PBS缓冲液浓度变化。

LAPS实时采集系统能准确、稳定、高效率地对LAPS输出光电流信号进行采集，进行实时数据处理和特性曲线绘制，实现了采集过程的自动化和结果的实时显示，满足了生物传感器实时测试的需要。

该系统成本低、操作简单、编程灵活，能根据实际测试的需求编写相关算法来满足更高的测试需求，对LAPS传感器的实际应用有重要的意义。

【相关文献】
[1] HAFEMAN D G,PARCE J W,MCCONNELL H M.Light-addressable potentiometric sensor for biochemical Systems[J]. Science,1988,240:1182-1185.
[2] ZHANG B,ZHANG X,YAN H H,et al. A novel multia-array immunoassay device for tumor markers based on insert-Plug model of piezoelectric immunosensor[J]. Biosens Bioeleetron,2007,23(1):19-25.
[3] WU C,DU L,ZOU L,et al. An ATP sensitive light addressable biosensor for extracellular monitoring of single taste receptor cell[J]. Biomedical microdevices,2012,14(6):1047-1053.
[4] PUIU M,IDILI A,MOSCONE D. A modular electrochemical peptide-based sensor for antibody detection[J]. Chemical Communications,2014,50:8962-8965.
[5] 梁卫国.光寻址电位传感器系统的设计与实现[D].北京:中国科学院电子学研究所,2001.
[6] 秦月香,李学亮,梁晋涛,等.EIS型光寻址电位传感器I-f特性研究[J].仪表技术与传感器,2014(1):1-2.。