利用微波传感器检测生化溶液浓度

马　闯，杨晓东，谢　浩，刘成国，吴志鹏*

（1.武汉理工大学化学化工与生命科学学院，湖北武汉430070）

（2.武汉理工大学理学院射频与微波技术研究中心，湖北武汉430070）

利用微波传感器检测生化溶液浓度

马闯1，杨晓东2，谢浩1，刘成国2，吴志鹏2*

（1.武汉理工大学化学化工与生命科学学院，湖北武汉430070）

（2.武汉理工大学理学院射频与微波技术研究中心，湖北武汉430070）

微波传感器在检测生化溶液方面具有准确性好、灵敏度高、测量速度快以及零接触等优点。研究表明，溶液的浓度与反射系数有关，利用反射系数经过一定的换算可以得到溶液的浓度。用微波传感器对氯化钠、葡萄糖、蛋白胨这三种典型生化溶液进行检测实验，结果显示：在特定频段，同一生化溶液，传感器的反射系数随着溶液浓度的增大而增大或减小，而不同生化溶液的最佳敏感频段是不同的。因此，微波传感器为生化溶液浓度的检测提供了一种高效可行的方法，有非常好的应用前景。

微波传感器；浓度检测；反射系数

0　引言

绝大多数的生物、化学科研工作的过程实际上就是和不同生化试剂打交道，这样一来试剂溶液的浓度就成为了一个回避不了的问题。实际上，实验的很多时候都要进行试剂溶液浓度的检测。比如，在实验前期的准备阶段检测反应物的浓度以确定实验初始条件，或者在实验后期的检验阶段检测生成物的浓度以确定实验结果是否符合预期，甚至在实验中期的执行阶段实时监测某一成分的浓度以是实现对整个实验的全局掌控。既然这样，一种高效的、精确的、功能强大的生化试剂检测手段对于生物、化学科研工作来说是必不可少的。

另一方面，随着微波技术理论的进步，以此为基础的微波传感器也得到长足的发展［1］。检测对象从宏观到微观、从天上到地下、从无机到有机，几乎无所不包，微波传感器在物理电子、化学化工、生物医学等多个领域都有应用。其工作原理大致相似，都是把所希望检测的被测物的非电参量转化为可以被检测到的电磁学参量，然后根据某种对应关系，用后者来表示前者。理论上微波传感器是可以用来检测生化试剂溶液的浓度的，因为溶液浓度的变化必然会使传感器检测到电磁学参量发生相应变化［2-3］。微波传感器和显微镜、分光光度计一样都是物理学技术在生化领域的应用。

传统的检测生化试剂溶液的方法虽然有很多，但是受各自检测原理的限制，这些方法或多或少都有一些缺陷。比如它们都倾向于接触性检测［4-5］，这样一来在取样检测时被取出检测的那部分溶液多半无法回收使用，在检测珍稀或不方便接触的溶液浓度时将造成极大的困难。此外，大多数传统的检测生化试剂溶液的方法的检测对象范围都不是很大。使用微波传感器则可以完美解决这些问题。检测生化溶液的浓度时，微波传感器的操作极为简便，几乎是全自动的；检测对象范围大，几乎所有可溶的生化试剂都可以用微波传感器检测其溶液的浓度。最重要的是无需采样，被检测的溶液甚至不需要与传感器直接接触［5］，可以回收继续用于实验，甚至可以实现连续实时监测溶液浓度的变化。

总之，这是一项将微波技术和生物、化学领域相结合的研究，利用微波传感器的操作简便、高灵敏度、非接触的特点［6］，为生化溶液浓度的检测提供一种新的解决办法，同时在检测生化溶液浓度过程中实现其它检测方法实现不了或很难实现的功能。

1　微波传感器的工作原理

图1　微波传感器Fig.1　the microwave sensor

图2　探针式结构Fig.2　probe structure

图3　探针长度为零时的电磁场分布Fig.3　the electromagnetic field distribution of zero length

微波传感器的工作原理并不复杂，在微波的传输路径中，遇到介质时会产生反射波［7］。而且，介质不同产生的反射波也会不同，这与介质的相对介电常数有关。相对介电常数不能直接测量，但是可以用反射系数来表征。如果把待测的生化溶液看成一种均匀的介质，通过收集微波在其内部传输时的反射系数就能掌握该溶液的相对介电常数。溶液的浓度会影响整个溶液的相对介电常数，进而影响微波的传输特性。为此，可以利用微波传感器，通过测量溶液的反射系数［8］，然后经过相应的换算关系进而得到试剂溶液的浓度。

微波传感器如图1所示，采用标准的50欧姆同轴线作为传输线，其主要特点是:结构简单、损耗低、屏蔽效果好、成本低。同轴线的一端采用开口结构，将同轴线的内导体伸出13 mm，构成探针式的结构，如图2所示。之所以要采用探针式的结构并不是要将探针插入到待测溶液中，而是要充分利用这种结构周围的电磁场分布状态。当传感器的探针长度为零时，其周围的电磁场分布如图3所示，只有在开口的地方有少量分布。这样的电磁场分布状态显然不利于溶液浓度的检测，当探针长度延长时，情况则完全不一样。图4是探针和同轴线的长度分别为13 mm和100 mm的时候的电磁场分布图。可以看到，电磁场以同轴为轴心呈糖葫芦状分布，这个区域也是微波主要的传输路径。当这个区域所填充的介质的波阻抗发生改变时，微波的传输必然受到影响，进而影响波端口的反射系数。

图4　探针长度为13 mm时的电磁场分布Fig.4　the electromagnetic field distribution of 13 mm length

这样一来，只需将待测溶液置于传感器同轴线的周围就可以检测到其反射系数，而无需与传感器有直接接触。这样不仅可以避免传感器的探针或其它部位被待测溶液腐蚀，还可以免除传感器的清洗工作，防止传感器损坏。之前已经提到过，溶液浓度的变化会引起其相对介电常数的变化，最后表现在反射系数的变化上。因此，理论上只要检测到溶液的反射系数再经过一定的换算就可以得到溶液的浓度。

2　微波传感器的检测实验

要想实现对溶液浓度的检测需要有一个完整的测量系统，包括微波的产生装置、反射系数的检测装置、待测溶液的输送装置以及传感器本身。其中前两者的工作可以由矢量网络分析仪胜任，待测溶液的输送装置则由恒流泵、橡皮管和冷凝管组成，如图5所示。测量时，待测溶液经由橡皮管被输送到冷凝管的外管中，然后经由另一条被输送回来，构成一个循环系统，整个过程有恒流泵来提供动力和控制流速。由于传感器位于冷凝管的内管中（如图6所示），再加上传感器特殊的电磁场分布情况（如图4所示），所以传感器不需要接触从冷凝管外管流过的待测液体就可以实现检测的目的。

图5　传感器和输送装置Fig.5　sensors and conveying device

图6　在冷凝管的内管中的传感器Fig.6　sensor in the inner tube condenser

虽然根据原理，传感器几乎可以检测所有可溶性物质的溶液，但是在实际的实验中不可能对所有溶液一一检测。因此，只对氯化钠、葡萄糖和蛋白胨这三种典型物质的溶液进行了浓度检测实验。其中，氯化钠是最常用、最典型的电解质和无机物，葡萄糖是最常用、最典型的非电解质和有机物、而蛋白胨则是多种可溶性有机物的混合物，三种物质都非常具有代表性，检测的结果可以说明多方面的问题。

2.1氯化钠溶液的检测

首先，精确配置2 mol/L的氯化钠溶液作为母液，然后用超纯去离子水以0%、10%、20%、30%、40%和50%的比例进行稀释，得到一组浓度梯度为0 mol/L、0.2 mol/L、0.4 mol/L、0.6 mol/L、0.8 mol/L和1.0 mol/L的氯化钠溶液，将环境温度设置为28℃，最后待温度平衡后进行测量。测量结果如图7所示。

图7中的横坐标范围为4890到5160 MHz，这是氯化钠溶液的最佳敏感频段，从中可以得知，在这段频率范围内，反射系数S11值随着氯化钠溶液浓度的增大而减小，并且每个浓度的曲线都呈现明显的波谷形状，其中在5022 MHz频点处的波谷位置的梯度变化最明显，暂且将波谷位置的频点定义为“最佳频点”。考虑到S11值都是负值使用起来不方便，因此将“最佳频点”处不同浓度的S11值与0 mol/L的S11值的差值的绝对值定义为|ΔS11|。为了简化图表，以氯化钠溶液浓度为横坐标，以各浓度的|ΔS11|为纵坐标，绘制一条通过坐标原点的直线，如图8所示。从这条直线可以看出，氯化钠溶液的浓度与其|ΔS11|呈比较明显的正比例关系。

图7　反射系数S11与氯化钠浓度关系Fig.7　the relationship between S11and the concentration of sodium chloride

图8　f=5022 MHz处|ΔS11|随浓度变化Fig.8　the trend in|ΔS11|with changing concentration at f=5022 MHz

2.2葡萄糖溶液的检测

总的来说，葡萄糖溶液的检测过程与氯化钠溶液基本相似，配置的这组葡萄糖溶液的浓度梯度为 0 mol/L、0.1 mol/L、0.2 mol/L、0.3 mol/L、0.4 mol/L和0.5 mol/L，环境温度依然是28℃。测量结果如图9所示。

从图9中可以得知，葡萄糖溶液的最佳敏感频段为4000到4350 MHz。与氯化钠溶液相比，除了最佳敏感频段不同之外，葡萄糖溶液的数据的变化规律也不一样。在这段频率范围内，反射系数S11值随着葡萄糖溶液浓度的增大而增大。但是，每个浓度的曲线依然都呈现明显的波谷形状。葡萄糖的“最佳频点”是4125 MHz，葡萄糖溶液浓度与其|ΔS11|的关系图如图10所示，也是一条通过坐标原点直线。从这条直线可以看出，葡萄糖溶液的浓度与其|ΔS11|呈非常明显的正比例关系。

图9　反射系数S11与葡萄糖浓度关系Fig.9　the relationship between S11and the concentration of glucose

图10　f=4125 MHz处|ΔS11|随浓度变化Fig.10　the trend in|ΔS11|with changing concentration at f=4125 MHz

2.3蛋白胨溶液的检测

虽然蛋白胨是多种有机物的混合物，与氯化钠、葡萄糖等单一成分的物质不一样，但是它们的检测过程却基本一样。配置的这组蛋白胨溶液的浓度梯度为2 g/L、4 g/L、6 g/L、8 g/L、10 g/L，环境温度依然是28℃。测量结果如图11所示。蛋白胨溶液的最佳敏感频段为5800到6000 MHz，在这段频率范围内，反射系数S11值随着蛋白胨溶液的增大而减小，蛋白胨的“最佳频点”是5927MHz，蛋白胨溶液浓度与其|ΔS11|的关系图如图12所示，也近似是一条通过坐标原点直线。从这条直线可以看出，蛋白胨溶液的浓度与其|ΔS11|呈相对比较明显正比例关系。

图11　反射系数S11与蛋白胨浓度关系Fig.11　the relationship between S11and the concentration of peptone

图12　f=5927 MHz处|ΔS11|随浓度变化Fig.12　the trend in|ΔS11|with changing concentration at f=5927 MHz

3　分析与讨论

反射系数S11值实际上是反射波的振幅与入射波振幅之比再取20倍的常用对数，考虑到微波在传输过程中必然存在损耗，也就是说反射波的振幅肯定小于入射波振幅，所以S11值肯定都是负数，而且越小代表损耗的越严重，意味着介质的相对介电常数就越大。需要指出的是，相对介电常数的大小不仅与介质本身的性质有关，还与温度、微波的频率有关，所以在测量前需要先平衡温度。至于频率，由于不同溶液的最佳敏感频段是不同的，所以并不存在所有溶液都能检测的万能频段。同种溶液在自己的最佳敏感频段内，呈现S11值随着溶液浓度的增大而增大或减小的变化规律，而在最佳敏感频段外，变化规律要么不明显要么就是混乱的。

众所周知，氯化钠在溶液中是以水合钠离子和水合氯离子的形式存在的，这种带电的粒子对于水溶液相对介电常数变化的影响是非常明显的。根据实验结果，在氯化钠溶液的最佳敏感频段内，钠离子和氯离子越多溶液的相对介电常数就越大。说明，在此频段内微波在传输过程中遇到钠离子和氯离子会更快的损耗。然而，葡萄糖是非电解质，是以分子形式存在于水溶液中的，不带电荷，显然与氯化钠影响相对介电常数的原理不同。但是，不带电荷不代表没有影响，而且根据实验结果，在葡萄糖溶液的最佳敏感频段内，其浓度大小与反射系数的变化规律与氯化钠溶液正好是相反的。说明，相比于超纯去离子水，在此频段内葡萄糖溶液中的葡萄糖分子的存在有利于减少微波在传输过程中的损耗。蛋白胨虽然是混合物，但是其溶液仍然可以看成是均匀介质。溶质中有离子也有分子，最后表现出来的变化规律是综合作用之后的结果。总之，溶液浓度的改变引起的反射系数的改变是传感器与溶液之间电磁相互作用的结果［9］。

需要特别指出的是，三种溶液的最佳敏感频段是不同的。虽然不能保证每种溶液都有自己独有的最佳敏感频段，不同溶液的最佳敏感频段仍然可能重叠，但是考虑到不存在所谓的万能频段，在检测某种特定溶液的浓度时，可根据其最佳敏感频段使用窄频甚至单频微波。这样不仅可以减少数据处理的工作量，而且还可以使检测结果更加准确。一般来说，最佳敏感频段中的最适合检测的频点非波谷处的频点莫属，而且S11值的变化量比S11值本身更方便使用，这也是定义“最佳频点”和|ΔS11|的原因。虽然氯化钠、葡萄糖和蛋白胨这三种溶液的浓度都与各自的|ΔS11|呈正比例关系，但是考虑到每条直线只取了六个点，其中还有一个是坐标原点，而且选取的浓度范围也相对有限，所以只能定性地反映溶液浓度与反射系数之间的变化规律。理论上，只要在相同的实验条件下检测一组浓度梯度足够小、浓度范围足够大、数目足够多的同种溶液，就能绘制精确的溶液浓度与|ΔS11|之间的关系曲线图。到那时，只需测得某溶液的S11值，然后根据曲线图经过一定的换算就能得到该溶液的浓度。

4　结论

同轴线微波传感器采用了探针式结构，使其周围的电磁场分布状况更有利于对溶液浓度的检测。利用以该传感器为基础的测量系统对氯化钠、葡萄糖和蛋白胨等几种典型溶液的浓度进行了测量。通过实验结果，可以知道：不同溶液的最佳敏感频段是不同的，而且在同种溶液的最佳敏感频段内，其反射系数S11随着溶液浓度的增大而增大或减小。此外，根据实验数据还能绘制反映溶液浓度与反射系数变化量|ΔS11|之间变化规律的关系曲线图。总而言之，利用微波传感器检测生化溶液浓度是一种可行性高、高效精确的检测方法。

5　前景与展望

用于检测生化溶液浓度的微波传感器面世之后，其应用范围将会非常广泛。首先，微波传感器可以用来校准溶液浓度。众所周知，溶液放置一段时间后会因为溶剂挥发等原因导致其真实的浓度与理论的计算值之间存在偏差。为了保证实验的精确性，有必要在使用这些溶液之前校准这些溶液的浓度。考虑到需要校准的溶液种类繁多，微波传感器检测对象范围大的优势将显露无遗。其次，微波传感器可以用来检测珍稀溶液浓度。有些实验的产物很宝贵或者生成的量极少，容不得半点浪费，此时采用一种无需采样的检测方法便显得十分重要。微波传感器可以使用非接触式的方法检测生化试剂的浓度，不仅可以回收检测样品还可以避免污染。这种检测方法不仅在科研工作中，而且在工业生产中也有非常重要的意义。最后，微波传感器还可以用来连续实时监测溶液浓度的变化。在连续发酵反应中，往往需要保证培养基浓度的相对恒定。这时只要连续监测培养基浓度的变化情况，然后根据这些变化情况调整投放料速率等外部控制条件就能维持平衡。这种连续实时监测功能是人为掌控生物、化学反应过程的基础。总之，微波传感器由于具有功能强大、优势明显的特点，将会拥有非常广泛的应用。

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Using microwave sensors to detect the concentration of biochemical solutions

Ma Chuang1，Yang Xiao-dong2，Xie Hao1，Liu Cheng-guo2，Wu Zhi-peng2*
（1.College of Chemistry，Chemical Engineering and Life Sciences，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）（2.RF&Microwave Technology Research Center，College of Science，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）

The microwave sensor has many advantages in terms of detecting the concentration of biochemical solutions，such as accuracy，high sensitivity，fast measurement speed and zero-touch.Studies have shown that the solution concentration and reflection coefficient，and we can get the concentration of solution after a certain elapsed based on the reflection coefficient.We use microwave sensors to detect three typical biochemical solution which are sodium chloride，glucose and peptone.The results show that the reflection coefficient of same biochemical solution increases as the concentration increases or decreases，and the best-sensitive frequency bands of different biochemical solutions are different.Therefore，the microwave sensor provides an efficient and feasible way to detect the concentrations of biochemical solution，and it has a very good prospect.

microwave sensor；concentration detection；reflection coefficient

*通信联系人，E-mail:z.p.wu@whut.edu.cn