基于微波傳感器的生化溶液濃度檢測(cè)

楊曉東,馬 闖,邱 彤,謝 浩,劉成國(guó),吳志鵬

(射頻與微波技術(shù)研究中心 武漢理工大學(xué) 理學(xué)院，湖北 武漢 430070)

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基于微波傳感器的生化溶液濃度檢測(cè)

楊曉東,馬 闖,邱 彤,謝 浩,劉成國(guó),吳志鵬

(射頻與微波技術(shù)研究中心 武漢理工大學(xué) 理學(xué)院，湖北 武漢 430070)

用同軸線設(shè)計(jì)了一種探針式的微波傳感器，對(duì)幾種有代表性的生化溶液:NaCl溶液、葡萄糖溶液、蛋白胨溶液進(jìn)行了濃度測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:傳感器反射系數(shù)在3 900～3 950MHz的頻段內(nèi)隨著NaCl濃度的增大而減小，在3 953～3 975 MHz的范圍內(nèi)隨著葡萄糖濃度的增大而減小，蛋白胨的敏感區(qū)則在3 850～3 950 MHz的頻段內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該傳感器可以為生化溶液濃度的檢測(cè)提供一種低成本、高效的解決辦法。

微波傳感器； 探針； S參數(shù)； 濃度

0 引 言

目前，微波傳感器的應(yīng)用已成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)，一些國(guó)內(nèi)外的學(xué)者將微波傳感器和生物、化學(xué)領(lǐng)域相結(jié)合，進(jìn)行了各種研究探索，例如被測(cè)物中水分含量的檢測(cè)[1～3]、血糖測(cè)量[4]、溶液濃度的測(cè)量[5～7]、復(fù)介電常數(shù)測(cè)量[8]、細(xì)胞鑒別[9，11]、生物材料成像[10]等等。其中，生化試劑濃度檢測(cè)作為該領(lǐng)域的一項(xiàng)重要研究課題而備受關(guān)注，而這些已有的研究成果中存在一些傳感器制作成本高、精度不夠等問(wèn)題，需要探索更有效的微波測(cè)量方法。

本文基于上述研究，提出了一種運(yùn)用開(kāi)口同軸探針耦合方式的傳感器，為生化溶液的濃度提供一種低成本、高效精確的微波測(cè)量方法。利用該傳感器構(gòu)建的測(cè)量系統(tǒng)對(duì)NaCl、葡萄糖、蛋白胨溶液開(kāi)展實(shí)驗(yàn)測(cè)量，測(cè)試結(jié)果表明，該傳感器可以高效檢測(cè)生化溶液且成本低。

1 傳感器檢測(cè)原理與設(shè)計(jì)

微波傳感器的原理是在微波的傳輸路徑中，遇到被測(cè)物時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射波和透射波，而被測(cè)物不同，產(chǎn)生的反射和透射波也會(huì)不同，這些參數(shù)可以用反射和傳輸系數(shù)來(lái)表征。這其中的決定因素是被測(cè)物的復(fù)相對(duì)介電常數(shù)，可以表示為εr=ε′-jε″，德拜(Debye)方程給出了頻率與εr之間的聯(lián)系

(1)

式中 εS0和ε∞分別為靜態(tài)和無(wú)限高頻的時(shí)溶液的介電常數(shù)，τ為Debye張弛時(shí)間，ε0為自由空間的介電常數(shù)，σ為鹽溶液的電導(dǎo)率，f為電磁波的頻率。式(1)中ε0，ε∞，τ均和被測(cè)溶液的溫度和濃度有關(guān),具體關(guān)系可參考文獻(xiàn)[12]。

生物化學(xué)試劑溶液大多為不同物質(zhì)的水溶液，是一種混合物。當(dāng)介質(zhì)由多種不同物質(zhì)均勻混合構(gòu)成，每種物質(zhì)均為各項(xiàng)同性的，則介質(zhì)的介電常數(shù)可以模擬[13]為

(2)

(3)

式中 εrc和εri分別為混合物和第i種物質(zhì)的介電常數(shù)，Ci=mi/V為物質(zhì)的濃度。由此可以看出，當(dāng)同種物質(zhì)的溶液體積一定的時(shí)候，混合物的相對(duì)介電常數(shù)εrc與該物質(zhì)的濃度有著緊密的聯(lián)系。

由此可以得到：溶液的濃度會(huì)影響整個(gè)混合物的相對(duì)介電常數(shù)，進(jìn)而影響微波的傳輸特性，包括反射特性和傳輸特性。為此，可以利用微波傳感器，通過(guò)測(cè)量加載不同濃度生物化學(xué)試劑溶液測(cè)量其反射和傳輸參數(shù)，進(jìn)而得到試劑溶液的濃度。

基于以上分析，可以采用測(cè)量溶液的相對(duì)介電常數(shù)εr的方法檢測(cè)溶液的濃度?？梢岳镁W(wǎng)絡(luò)分析儀通過(guò)測(cè)量S參數(shù)可以得到溶液的相對(duì)介電常數(shù)，而該過(guò)程需要有效的微波傳感器進(jìn)行檢測(cè)。采用標(biāo)準(zhǔn)的50Ω同軸線作為傳輸線，其主要特點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、損耗低、屏蔽效果好、成本低。同軸線的一端采用開(kāi)口結(jié)構(gòu)，將同軸線的內(nèi)導(dǎo)體伸出6 mm，構(gòu)成探針式的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 同軸探針結(jié)構(gòu)Fig 1 Structure of coaxial probe

傳感器采用兩根同軸線并排的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，單根同軸線長(zhǎng)為19 cm，兩探針之間的距離為3 mm，如圖2所示。為了饋電的方便將同軸線進(jìn)行小弧度的彎折，并不會(huì)對(duì)微波傳輸產(chǎn)生影響。采用耦合探針結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基于兩方面考慮：一方面伸出探針部分相當(dāng)于一個(gè)小的單極天線，增加電磁波的輻射，即增大輻射電阻，減小系統(tǒng)的反射，這樣就可以有利于測(cè)量傳感器的反射參數(shù)；另一方面，采用相同結(jié)構(gòu)的同軸探針并排在一起的時(shí)候，可以增大兩探針之間的耦合，即增大電磁波的傳輸，為此可以得到傳感感器的傳輸參數(shù)。最后可以通過(guò)對(duì)比傳感器不同網(wǎng)絡(luò)參數(shù)與溶液濃度的關(guān)系得到最優(yōu)的檢測(cè)結(jié)果。

圖2 同軸傳感器實(shí)體Fig 2 Physical map of coaxial sensor

實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常要檢測(cè)的參量如化學(xué)成分、密度、濃度等，深層次的都是影響了被測(cè)物的復(fù)介電常數(shù)，進(jìn)而在測(cè)試中反映到反射系數(shù)和傳輸系數(shù)等物理參量上來(lái)，構(gòu)成了用微波傳感器測(cè)量溶液濃度的理論依據(jù)。

2 傳感器測(cè)量實(shí)驗(yàn)

測(cè)量系統(tǒng)包括微波產(chǎn)生和檢測(cè)裝置、傳感器以及被測(cè)溶液加載部分。整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)置于獨(dú)立的空間里，一方面可以在測(cè)量的過(guò)程中盡可能減少外界帶來(lái)的干擾，另一方面可以防止污染生化溶液，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。

實(shí)驗(yàn)采用Agilent矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E5072A測(cè)量S參數(shù)，其具備了微波的產(chǎn)生和反射系數(shù)測(cè)量的功能。利用帶有開(kāi)關(guān)閥的漏斗作為被測(cè)溶液的容器，漏斗和傳感器固定在鐵架臺(tái)上，其位置保持不變，傳感器的探針置于漏斗中心上,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 測(cè)量裝置Fig 3 Measurement device

利用該系統(tǒng)，分別對(duì)NaCl、葡萄糖、蛋白胨的水溶液進(jìn)行了測(cè)量，試驗(yàn)中利用移液槍每次向漏斗中注入相等量(10 mL)的被測(cè)液，這樣就可以保證探針插入液面的深度保持不變。測(cè)量結(jié)束后，打開(kāi)漏斗開(kāi)關(guān)將測(cè)量液從下端放出，然后再用清水清洗漏斗，消除殘留物質(zhì)帶來(lái)的干擾，以便再次注入測(cè)量液。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)傳感器的反射參數(shù)S11與溶液濃度具有較好的相關(guān)性。

2.1 NaCl溶液

取2 mol/mL的NaCl溶液作為母液，分別進(jìn)行20 %,40 %,60 %,100 %的比例稀釋，形成0.4,0.8,1.2,1.6,2 mol/mL的稀釋液，然后將稀釋液和水同時(shí)放入恒溫箱進(jìn)行定溫，溫度設(shè)置為28 ℃，然后依次取10 mL的NaCl溶液加入漏斗進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖4所示。

圖4 反射系數(shù)S11與NaCl濃度關(guān)系Fig 4 Relationship between S11 and concentration of NaCl

由圖4可知，在3.90～3.95 GHz的頻率范圍內(nèi)，S11隨著NaCl溶液濃度的增大而減小，即可用帶寬為50 MHz。在3.93 GHz的頻點(diǎn)處呈現(xiàn)明顯的梯度，取該頻點(diǎn)處各濃度下的S11值擬合成曲線，如圖5所示，并且在NaCl的濃度為1.6 mol/L和2.0 mol/L之間的測(cè)量的S11間隔最小，為|ΔS11|=0.55 dB，因此，整個(gè)測(cè)量的濃度區(qū)間內(nèi)|ΔS11|/Δc≥0.024 dB/(mg/mL)。

圖5 f=3 .93 GHz處S11隨濃度的變化Fig 5 Change of S11 amplitude with concentration at f=3 .93 GHz

2.2 葡萄糖溶液

配置0.04,0.08,0.12,0.16,0.20 mol/L的葡萄糖溶液并將其置于恒溫箱中保溫10 min，溫度設(shè)置為28 ℃，然后依次取10 mL的葡萄糖溶液加入漏斗進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知,在頻率為3.953～3.975 GHz的范圍內(nèi)，傳感器的反射系數(shù)S11隨著葡萄糖溶液濃度的增大而減小，即可用帶寬約為20 MHz。在3.963 GHz處，各個(gè)濃度下測(cè)量的反射系數(shù)達(dá)到最小，并且呈現(xiàn)清晰的梯度關(guān)系，如圖7所示。并且在濃度為0.08 mol/L和0.12 mol/L之間的測(cè)量的S11間隔最小，為|ΔS11|=0.041 dB，因此,整個(gè)測(cè)量的濃度區(qū)間內(nèi) 0.001 dB/(mg/mL)。

圖6 反射系數(shù)S11與葡萄糖濃度關(guān)系Fig 6 Relationship between S11 and concentration of glucose

圖7 f=3. 963 GHz處S11隨濃度的變化Fig 7 Change of S11 amplitude with concentration at f=3. 963 GHz

2.3 蛋白胨溶液

用電子天平精確稱量1～5 g的蛋白胨并溶于等量的熱水(100 mL)中，攪拌均勻至溶液中看到不到明顯的顆粒,靜置等待溶液冷卻至室溫(28 ℃),然后依次取10 mL的待測(cè)液加入漏斗中,測(cè)量的結(jié)果如圖8所示。

圖8 反射系數(shù)S11與蛋白胨濃度關(guān)系Fig 8 Relationship between S11 and concentration of tryptone

由圖可知,在3.85～3.950 GHz的頻率范圍內(nèi),測(cè)量所得的S11隨著蛋白胨濃度的增加而減小，可用帶寬約為100 MHz。在3. 880 GHz的頻點(diǎn)上傳感器的敏感度達(dá)到最大，對(duì)于不同的濃度有著較大的差異，如圖9所示，測(cè)量的S11間隔最小，為|ΔS11|=0.48 dB，因此,整個(gè)測(cè)量的濃度區(qū)間內(nèi)|ΔS11|/Δc≥0.48 dB/(mg/mL)?？梢赃\(yùn)用該傳感器構(gòu)造細(xì)胞培養(yǎng)中蛋白胨濃度的測(cè)量系統(tǒng)。

圖9 f=3.880 GHz處S11隨濃度的變化Fig 9 Change of S11 amplitude with concentration at f=3.880 GHz

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

目前，針對(duì)NaCl和葡萄糖溶液濃度的研究較為普遍，現(xiàn)將檢測(cè)結(jié)果與已有的部分研究成果作對(duì)比。

表1 NaCl溶液濃度的檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

從表1中可以看出，實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的|ΔS11|/Δc要大于文獻(xiàn)[8]，即S11隨濃度變化的動(dòng)態(tài)范圍更廣，且該傳感器的可用帶寬到達(dá)了50 MHz，因此，可以允許輸入頻率有一定的波動(dòng)，而不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生很大影響，這種穩(wěn)定性對(duì)于實(shí)際生理鹽水濃度的檢測(cè)更加具有可操作性。

從表2中可以看出，實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果的|ΔS11|/Δc較小，則S11隨濃度變化的動(dòng)態(tài)范圍較窄，但可用帶寬約為20 MHz，使得該傳感器可有效地檢測(cè)葡萄糖的濃度。

3 結(jié) 論

根據(jù)微波的傳輸性質(zhì)設(shè)計(jì)了基于同軸線的探針式結(jié)構(gòu)

表2 葡萄糖溶液濃度的檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

的微波傳感器,并用該傳感器對(duì)NaCl、葡萄糖及蛋白胨溶液的濃度進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：針對(duì)不同的物質(zhì)，傳感器的敏感測(cè)量頻帶不同；對(duì)于不同濃度的同種溶液，S11均隨著溶液濃度的增大而減小，且有著較明顯的變化幅度。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)論很好地驗(yàn)證了該傳感器的實(shí)用性和可靠性，為生化溶液濃度提供了一種低成本、高效精確的微波檢測(cè)方法。

[1] 偉利國(guó)，張小超，李福超，等.基于微波的糧食水分檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010(4):1-3.

[2] Yasuhiko Shiinoki,Yasuyuki Motouri.On-line monitoring of moisture and salt contents by the microwave transmission method in a continuous salted butter-making process[J].Journal of Food Engineering,1998,38:153-167.

[3] Mathew G Pelletier,Joseph A Viera.Low-cost electronic microwave calibration for rapid on-line moisture sensing of seedcott-on[J].Sensors 2010,10:11088-11099.

[4] Buford Randall Jean,Eric C Green.A microwave frequency sensor for non-invasive blood-glucose measurement[C]∥IEEE Sensors Applications Symposium,2008:4-7.

[5] Jongchul Kim,Arsen Babajanyan.Microwave dielectric resonator biosensor for aqueous glucose solution[J].Review of Scientific Instruments,2008,79(8):1-3.

[6] Arsen Babajanyan,Jongchul Kim.Sodium chloride sensing by using a near-field microwave microprobe[J].Applied Physics Letters,2006,89(18):113-116.

[7] Arsen Babajanyan,Harutyun Melikyan.Real-time noninvasive measurement of glucose concentration using a microwave biosensor[J].Journal of Sensors,2010,11:100-104.

[8] Huang Kama,Cao Xuejun.Measurement/computation of effective permittivity of dilute solution in saponification reaction[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2003,51(10):2106-2111.

[9] Zhang L.Discrimination of colorectal cancer cell lines using microwave biosensors[J].Sensors and Actuators A:Physical,2014,216:405-416.

[10] Dalmay C,Cheray M.Ultra sensitive biosensor based on impe-dance spectroscopy at microwave frequencies for cell scale analysi-s[J].Sensors and Actuators A:Physical,2010,162(2):189-197.

[11] Tabib-Azar M,Katz J L.Evanescent microwaves:A novel super-resolution noncontact nondestructive imaging technique for biolo-gical applications[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,1999,48(6):1111-1116.

[12] Lane J,Saxon J.Dielectric dispersion in pure polar liquids at very high frequencies.Ⅲ.The effect of electrolytes in solution[J].Pro Roy Soc,1952,213:531-545.

[13] 蔡圣善，朱 耘.經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)[D].上海:復(fù)旦大學(xué)，1985:111-114.

劉成國(guó)，通訊作者,E—mail:liucg@whut.edu.cn。

Biochemical solutions concentration detection based on microwave sensor

YANG Xiao-dong,MA Chuang,QIU Tong,XIE Hao,LIU Cheng-guo,WU Zhi-peng

(RF &Microwave Technology Research Center,College of Science,Wuhan University of Technology, Wuhan 430070,China)

Design a probe type microwave sensor using coaxial line,some typical biochemical solutions such as NaCl,glucose and tryptone are measured with novel sensor.Experimental results show that reflective coefficient of sensor decreases with the concentration increases.However,the sensitive spectra are 3 900～3 950 MHz,3 953～3 975 MHz and 3 850～3 950 MHz for NaCl,glucose and tryptone respectively.This work verifies that the novel sensor can provide a low-cost,high efficient solution to detect concentration of biochemical solutions.

microwave sensor;probe;S parameter;concentration

10.13873/J.1000—9787(2016)11—0090—04

2016—01—21

TM 931

A

1000—9787(2016)11—0090—04

楊曉東(1990-)，男，湖北十堰人,碩士研究生，研究方向?yàn)槲⒉▊鞲衅鳌?/p>