Design and Analysis of a Microwave-Optical Dual Modality Biomolecular Sensing Platform
Design and Analysis of a Microwave-Optical Dual Modality Biomolecular Sensing Platform
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微波-光学双模态生物分子传感平台的设计与分析
DOI：
10.1109/jssc.2019.2946817
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发表时间：
2020
影响因子：
5.4
通讯作者：
Niknejad, Ali M.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Zhang, Luya;Niknejad, Ali M.
提出了一种具有高灵敏度和选择性的组合微波-光学生物分子传感器。微波传感器利用振荡频移来表征介质的介电特性。为了将传感器灵敏度提高到超过 1/f3 相位噪声限制，提出了一种基于正交振荡器的电抗传感方案，该方案可将 1/f3 噪声衰减 20 dB/十倍频程。通过一种新颖的斩波技术实现了进一步的灵敏度增强，该技术可以差分调制耦合振荡器的自由运行频率，同时保持固定的锁定频率。为了实现更高的选择性，引入光学传感器来瞄准特定的生物分子。它们利用单光子雪崩二极管来检测光子强度和光子发射时间。生物传感器原型采用 28 nm CMOS 技术制造。该微波传感器以 11.5 mW 功耗实现 0.2 ppm/√Hz 频率灵敏度。光学传感器在 1 V 过量偏压下显示出 500/s 的暗计数率和 300 ps 的定时抖动。蛋白质热变性实验证实了双模态生物传感平台的灵敏度和选择性增强。
A combined microwave-optical biomolecular sensor with high sensitivity and selectivity is presented. The microwave sensor characterizes the dielectric properties of a medium using the oscillation frequency shift. To improve the sensor sensitivity beyond the 1/f3phase noise limit, a quadrature-oscillator-based reactance sensing scheme is proposed, which attenuates the 1/f3noise by 20 dB/decade. Further sensitivity enhancement is realized by a novel chopping technique that modulates the free-running frequencies of the coupled oscillators differentially while maintaining a fixed locking frequency. To achieve a higher selectivity, optical sensors are introduced to target specific biomolecules. Utilizing single-photon avalanche diodes, they detect both photon intensity and photon emission time. A biosensor prototype was fabricated in a 28 nm CMOS technology. The microwave sensor achieves 0.2 ppm/√Hz frequency sensitivity with 11.5 mW power consumption. The optical sensor shows 500/s dark count rate and 300 ps timing jitter at 1 V excess bias. A protein thermal denaturation experiment confirms the sensitivity and selectivity enhancement of the dual-modality biosensing platform.
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