基于微波传感器的生化溶液浓度检测

杨晓东,马 闯,邱 彤,谢 浩,刘成国,吴志鹏

(射频与微波技术研究中心 武汉理工大学 理学院，湖北 武汉 430070)



基于微波传感器的生化溶液浓度检测

杨晓东,马 闯,邱 彤,谢 浩,刘成国,吴志鹏

(射频与微波技术研究中心 武汉理工大学 理学院，湖北 武汉 430070)

用同轴线设计了一种探针式的微波传感器，对几种有代表性的生化溶液:NaCl溶液、葡萄糖溶液、蛋白胨溶液进行了浓度测量。实验结果显示:传感器反射系数在3 900～3 950MHz的频段内随着NaCl浓度的增大而减小，在3 953～3 975 MHz的范围内随着葡萄糖浓度的增大而减小，蛋白胨的敏感区则在3 850～3 950 MHz的频段内。实验结果表明:该传感器可以为生化溶液浓度的检测提供一种低成本、高效的解决办法。

微波传感器； 探针； S参数； 浓度

0 引 言

目前，微波传感器的应用已成为一个新的研究热点，一些国内外的学者将微波传感器和生物、化学领域相结合，进行了各种研究探索，例如被测物中水分含量的检测[1～3]、血糖测量[4]、溶液浓度的测量[5～7]、复介电常数测量[8]、细胞鉴别[9，11]、生物材料成像[10]等等。其中，生化试剂浓度检测作为该领域的一项重要研究课题而备受关注，而这些已有的研究成果中存在一些传感器制作成本高、精度不够等问题，需要探索更有效的微波测量方法。

本文基于上述研究，提出了一种运用开口同轴探针耦合方式的传感器，为生化溶液的浓度提供一种低成本、高效精确的微波测量方法。利用该传感器构建的测量系统对NaCl、葡萄糖、蛋白胨溶液开展实验测量，测试结果表明，该传感器可以高效检测生化溶液且成本低。

1 传感器检测原理与设计

微波传感器的原理是在微波的传输路径中，遇到被测物时会产生反射波和透射波，而被测物不同，产生的反射和透射波也会不同，这些参数可以用反射和传输系数来表征。这其中的决定因素是被测物的复相对介电常数，可以表示为εr=ε′-jε″，德拜(Debye)方程给出了频率与εr之间的联系

(1)

式中 εS0和ε∞分别为静态和无限高频的时溶液的介电常数，τ为Debye张弛时间，ε0为自由空间的介电常数，σ为盐溶液的电导率，f为电磁波的频率。式(1)中ε0，ε∞，τ均和被测溶液的温度和浓度有关,具体关系可参考文献[12]。

生物化学试剂溶液大多为不同物质的水溶液，是一种混合物。当介质由多种不同物质均匀混合构成，每种物质均为各项同性的，则介质的介电常数可以模拟[13]为

(2)

(3)

式中 εrc和εri分别为混合物和第i种物质的介电常数，Ci=mi/V为物质的浓度。由此可以看出，当同种物质的溶液体积一定的时候，混合物的相对介电常数εrc与该物质的浓度有着紧密的联系。

由此可以得到：溶液的浓度会影响整个混合物的相对介电常数，进而影响微波的传输特性，包括反射特性和传输特性。为此，可以利用微波传感器，通过测量加载不同浓度生物化学试剂溶液测量其反射和传输参数，进而得到试剂溶液的浓度。

基于以上分析，可以采用测量溶液的相对介电常数εr的方法检测溶液的浓度。可以利用网络分析仪通过测量S参数可以得到溶液的相对介电常数，而该过程需要有效的微波传感器进行检测。采用标准的50Ω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6 mm，构成探针式的结构，如图1所示。

图1 同轴探针结构Fig 1 Structure of coaxial probe

传感器采用两根同轴线并排的对称结构，单根同轴线长为19 cm，两探针之间的距离为3 mm，如图2所示。为了馈电的方便将同轴线进行小弧度的弯折，并不会对微波传输产生影响。采用耦合探针结构设计基于两方面考虑：一方面伸出探针部分相当于一个小的单极天线，增加电磁波的辐射，即增大辐射电阻，减小系统的反射，这样就可以有利于测量传感器的反射参数；另一方面，采用相同结构的同轴探针并排在一起的时候，可以增大两探针之间的耦合，即增大电磁波的传输，为此可以得到传感感器的传输参数。最后可以通过对比传感器不同网络参数与溶液浓度的关系得到最优的检测结果。

图2 同轴传感器实体Fig 2 Physical map of coaxial sensor

实际应用中经常要检测的参量如化学成分、密度、浓度等，深层次的都是影响了被测物的复介电常数，进而在测试中反映到反射系数和传输系数等物理参量上来，构成了用微波传感器测量溶液浓度的理论依据。

2 传感器测量实验

测量系统包括微波产生和检测装置、传感器以及被测溶液加载部分。整个测量系统置于独立的空间里，一方面可以在测量的过程中尽可能减少外界带来的干扰，另一方面可以防止污染生化溶液，对实验结果产生影响。

实验采用Agilent矢量网络分析仪E5072A测量S参数，其具备了微波的产生和反射系数测量的功能。利用带有开关阀的漏斗作为被测溶液的容器，漏斗和传感器固定在铁架台上，其位置保持不变，传感器的探针置于漏斗中心上,其结构如图3所示。

图3 测量装置Fig 3 Measurement device

利用该系统，分别对NaCl、葡萄糖、蛋白胨的水溶液进行了测量，试验中利用移液枪每次向漏斗中注入相等量(10 mL)的被测液，这样就可以保证探针插入液面的深度保持不变。测量结束后，打开漏斗开关将测量液从下端放出，然后再用清水清洗漏斗，消除残留物质带来的干扰，以便再次注入测量液。通过实验发现传感器的反射参数S11与溶液浓度具有较好的相关性。

2.1 NaCl溶液

取2 mol/mL的NaCl溶液作为母液，分别进行20 %,40 %,60 %,100 %的比例稀释，形成0.4,0.8,1.2,1.6,2 mol/mL的稀释液，然后将稀释液和水同时放入恒温箱进行定温，温度设置为28 ℃，然后依次取10 mL的NaCl溶液加入漏斗进行测量，测量结果如图4所示。

图4 反射系数S11与NaCl浓度关系Fig 4 Relationship between S11 and concentration of NaCl

由图4可知，在3.90～3.95 GHz的频率范围内，S11随着NaCl溶液浓度的增大而减小，即可用带宽为50 MHz。在3.93 GHz的频点处呈现明显的梯度，取该频点处各浓度下的S11值拟合成曲线，如图5所示，并且在NaCl的浓度为1.6 mol/L和2.0 mol/L之间的测量的S11间隔最小，为|ΔS11|=0.55 dB，因此，整个测量的浓度区间内|ΔS11|/Δc≥0.024 dB/(mg/mL)。

图5 f=3 .93 GHz处S11随浓度的变化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的葡萄糖溶液并将其置于恒温箱中保温10 min，温度设置为28 ℃，然后依次取10 mL的葡萄糖溶液加入漏斗进行测量，测量结果如图6所示。

由图6可知,在频率为3.953～3.975 GHz的范围内，传感器的反射系数S11随着葡萄糖溶液浓度的增大而减小，即可用带宽约为20 MHz。在3.963 GHz处，各个浓度下测量的反射系数达到最小，并且呈现清晰的梯度关系，如图7所示。并且在浓度为0.08 mol/L和0.12 mol/L之间的测量的S11间隔最小，为|ΔS11|=0.041 dB，因此,整个测量的浓度区间内 0.001 dB/(mg/mL)。

图6 反射系数S11与葡萄糖浓度关系Fig 6 Relationship between S11 and concentration of glucose

图7 f=3. 963 GHz处S11随浓度的变化Fig 7 Change of S11 amplitude with concentration at f=3. 963 GHz

2.3 蛋白胨溶液

用电子天平精确称量1～5 g的蛋白胨并溶于等量的热水(100 mL)中，搅拌均匀至溶液中看到不到明显的颗粒,静置等待溶液冷却至室温(28 ℃),然后依次取10 mL的待测液加入漏斗中,测量的结果如图8所示。

图8 反射系数S11与蛋白胨浓度关系Fig 8 Relationship between S11 and concentration of tryptone

由图可知,在3.85～3.950 GHz的频率范围内,测量所得的S11随着蛋白胨浓度的增加而减小，可用带宽约为100 MHz。在3. 880 GHz的频点上传感器的敏感度达到最大，对于不同的浓度有着较大的差异，如图9所示，测量的S11间隔最小，为|ΔS11|=0.48 dB，因此,整个测量的浓度区间内|ΔS11|/Δc≥0.48 dB/(mg/mL)。可以运用该传感器构造细胞培养中蛋白胨浓度的测量系统。

图9 f=3.880 GHz处S11随浓度的变化Fig 9 Change of S11 amplitude with concentration at f=3.880 GHz

2.4 实验结果分析

目前，针对NaCl和葡萄糖溶液浓度的研究较为普遍，现将检测结果与已有的部分研究成果作对比。

表1 NaCl溶液浓度的检测结果对比

从表1中可以看出，实验检测的|ΔS11|/Δc要大于文献[8]，即S11随浓度变化的动态范围更广，且该传感器的可用带宽到达了50 MHz，因此，可以允许输入频率有一定的波动，而不会对测量结果产生很大影响，这种稳定性对于实际生理盐水浓度的检测更加具有可操作性。

从表2中可以看出，实验检测结果的|ΔS11|/Δc较小，则S11随浓度变化的动态范围较窄，但可用带宽约为20 MHz，使得该传感器可有效地检测葡萄糖的浓度。

3 结 论

根据微波的传输性质设计了基于同轴线的探针式结构

表2 葡萄糖溶液浓度的检测结果对比

的微波传感器,并用该传感器对NaCl、葡萄糖及蛋白胨溶液的浓度进行测量，实验结果表明：针对不同的物质，传感器的敏感测量频带不同；对于不同浓度的同种溶液，S11均随着溶液浓度的增大而减小，且有着较明显的变化幅度。以上实验结论很好地验证了该传感器的实用性和可靠性，为生化溶液浓度提供了一种低成本、高效精确的微波检测方法。

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刘成国，通讯作者,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

杨晓东(1990-)，男，湖北十堰人,硕士研究生，研究方向为微波传感器。