基于微波傳感器的生化溶液濃度檢測

楊曉東,馬 闖,邱 彤,謝 浩,劉成國,吳志鵬

(射頻與微波技術研究中心 武漢理工大學 理學院，湖北 武漢 430070)

?

基于微波傳感器的生化溶液濃度檢測

楊曉東,馬 闖,邱 彤,謝 浩,劉成國,吳志鵬

(射頻與微波技術研究中心 武漢理工大學 理學院，湖北 武漢 430070)

用同軸線設計了一種探針式的微波傳感器，對幾種有代表性的生化溶液:NaCl溶液、葡萄糖溶液、蛋白胨溶液進行了濃度測量。實驗結果顯示:傳感器反射系數在3 900～3 950MHz的頻段內隨著NaCl濃度的增大而減小，在3 953～3 975 MHz的范圍內隨著葡萄糖濃度的增大而減小，蛋白胨的敏感區則在3 850～3 950 MHz的頻段內。實驗結果表明:該傳感器可以為生化溶液濃度的檢測提供一種低成本、高效的解決辦法。

微波傳感器； 探針； S參數； 濃度

0 引 言

目前，微波傳感器的應用已成為一個新的研究熱點，一些國內外的學者將微波傳感器和生物、化學領域相結合，進行了各種研究探索，例如被測物中水分含量的檢測[1～3]、血糖測量[4]、溶液濃度的測量[5～7]、復介電常數測量[8]、細胞鑒別[9，11]、生物材料成像[10]等等。其中，生化試劑濃度檢測作為該領域的一項重要研究課題而備受關注，而這些已有的研究成果中存在一些傳感器制作成本高、精度不夠等問題，需要探索更有效的微波測量方法。

本文基于上述研究，提出了一種運用開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、高效精確的微波測量方法。利用該傳感器構建的測量系統對NaCl、葡萄糖、蛋白胨溶液開展實驗測量，測試結果表明，該傳感器可以高效檢測生化溶液且成本低。

1 傳感器檢測原理與設計

微波傳感器的原理是在微波的傳輸路徑中，遇到被測物時會產生反射波和透射波，而被測物不同，產生的反射和透射波也會不同，這些參數可以用反射和傳輸系數來表征。這其中的決定因素是被測物的復相對介電常數，可以表示為εr=ε′-jε″，德拜(Debye)方程給出了頻率與εr之間的聯系

(1)

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

生物化學試劑溶液大多為不同物質的水溶液，是一種混合物。當介質由多種不同物質均勻混合構成，每種物質均為各項同性的，則介質的介電常數可以模擬[13]為

(2)

(3)

式中 εrc和εri分別為混合物和第i種物質的介電常數，Ci=mi/V為物質的濃度。由此可以看出，當同種物質的溶液體積一定的時候，混合物的相對介電常數εrc與該物質的濃度有著緊密的聯系。

由此可以得到：溶液的濃度會影響整個混合物的相對介電常數，進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，通過測量加載不同濃度生物化學試劑溶液測量其反射和傳輸參數，進而得到試劑溶液的濃度。

基于以上分析，可以采用測量溶液的相對介電常數εr的方法檢測溶液的濃度。可以利用網絡分析儀通過測量S參數可以得到溶液的相對介電常數，而該過程需要有效的微波傳感器進行檢測。采用標準的50Ω同軸線作為傳輸線，其主要特點是:結構簡單、損耗低、屏蔽效果好、成本低。同軸線的一端采用開口結構，將同軸線的內導體伸出6 mm，構成探針式的結構，如圖1所示。

圖1 同軸探針結構Fig 1 Structure of coaxial probe

傳感器采用兩根同軸線并排的對稱結構，單根同軸線長為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行小弧度的彎折，并不會對微波傳輸產生影響。采用耦合探針結構設計基于兩方面考慮：一方面伸出探針部分相當于一個小的單極天線，增加電磁波的輻射，即增大輻射電阻，減小系統的反射，這樣就可以有利于測量傳感器的反射參數；另一方面，采用相同結構的同軸探針并排在一起的時候，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。最后可以通過對比傳感器不同網絡參數與溶液濃度的關系得到最優的檢測結果。

圖2 同軸傳感器實體Fig 2 Physical map of coaxial sensor

實際應用中經常要檢測的參量如化學成分、密度、濃度等，深層次的都是影響了被測物的復介電常數，進而在測試中反映到反射系數和傳輸系數等物理參量上來，構成了用微波傳感器測量溶液濃度的理論依據。

2 傳感器測量實驗

測量系統包括微波產生和檢測裝置、傳感器以及被測溶液加載部分。整個測量系統置于獨立的空間里，一方面可以在測量的過程中盡可能減少外界帶來的干擾，另一方面可以防止污染生化溶液，對實驗結果產生影響。

實驗采用Agilent矢量網絡分析儀E5072A測量S參數，其具備了微波的產生和反射系數測量的功能。利用帶有開關閥的漏斗作為被測溶液的容器，漏斗和傳感器固定在鐵架臺上，其位置保持不變，傳感器的探針置于漏斗中心上,其結構如圖3所示。

圖3 測量裝置Fig 3 Measurement device

利用該系統，分別對NaCl、葡萄糖、蛋白胨的水溶液進行了測量，試驗中利用移液槍每次向漏斗中注入相等量(10 mL)的被測液，這樣就可以保證探針插入液面的深度保持不變。測量結束后，打開漏斗開關將測量液從下端放出，然后再用清水清洗漏斗，消除殘留物質帶來的干擾，以便再次注入測量液。通過實驗發現傳感器的反射參數S11與溶液濃度具有較好的相關性。

2.1 NaCl溶液

取2 mol/mL的NaCl溶液作為母液，分別進行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放入恒溫箱進行定溫，溫度設置為28 ℃，然后依次取10 mL的NaCl溶液加入漏斗進行測量，測量結果如圖4所示。

圖4 反射系數S11與NaCl濃度關系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，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的頻點處呈現明顯的梯度，取該頻點處各濃度下的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之間的測量的S11間隔最小，為|ΔS11|=0.55 dB，因此，整個測量的濃度區間內|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，溫度設置為28 ℃，然后依次取10 mL的葡萄糖溶液加入漏斗進行測量，測量結果如圖6所示。

由圖6可知,在頻率為3.953～3.975 GHz的范圍內，傳感器的反射系數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，各個濃度下測量的反射系數達到最小，并且呈現清晰的梯度關系，如圖7所示。并且在濃度為0.08 mol/L和0.12 mol/L之間的測量的S11間隔最小，為|ΔS11|=0.041 dB，因此,整個測量的濃度區間內 0.001 dB/(mg/mL)。

圖6 反射系數S11與葡萄糖濃度關系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的待測液加入漏斗中,測量的結果如圖8所示。

圖8 反射系數S11與蛋白胨濃度關系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,測量所得的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的頻點上傳感器的敏感度達到最大，對于不同的濃度有著較大的差異，如圖9所示，測量的S11間隔最小，為|ΔS11|=0.48 dB，因此,整個測量的濃度區間內|ΔS11|/Δc≥0.48 dB/(mg/mL)。可以運用該傳感器構造細胞培養中蛋白胨濃度的測量系統。

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 實驗結果分析

目前，針對NaCl和葡萄糖溶液濃度的研究較為普遍，現將檢測結果與已有的部分研究成果作對比。

表1 NaCl溶液濃度的檢測結果對比

從表1中可以看出，實驗檢測的|ΔS11|/Δc要大于文獻[8]，即S11隨濃度變化的動態范圍更廣，且該傳感器的可用帶寬到達了50 MHz，因此，可以允許輸入頻率有一定的波動，而不會對測量結果產生很大影響，這種穩定性對于實際生理鹽水濃度的檢測更加具有可操作性。

從表2中可以看出，實驗檢測結果的|ΔS11|/Δc較小，則S11隨濃度變化的動態范圍較窄，但可用帶寬約為20 MHz，使得該傳感器可有效地檢測葡萄糖的濃度。

3 結 論

根據微波的傳輸性質設計了基于同軸線的探針式結構

表2 葡萄糖溶液濃度的檢測結果對比

的微波傳感器,并用該傳感器對NaCl、葡萄糖及蛋白胨溶液的濃度進行測量，實驗結果表明：針對不同的物質，傳感器的敏感測量頻帶不同；對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。以上實驗結論很好地驗證了該傳感器的實用性和可靠性，為生化溶液濃度提供了一種低成本、高效精確的微波檢測方法。

[1] 偉利國，張小超，李福超，等.基于微波的糧食水分檢測系統設計[J].電子設計工程，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.經典電動力學[D].上海:復旦大學，1985:111-114.

劉成國，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，研究方向為微波傳感器。