CN113218967B - 基于rfid概念的尿酸微波生物传感器及其应用 - Google Patents

基于rfid概念的尿酸微波生物传感器及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于RFID概念的尿酸微波生物传感器，包括依次层叠设置的第一基板、第二基板和第三基板；第一基板设置有微流体通道，微流体通道包括腔体，利用腔体容置定量的待测溶液；第二基板设置有金属电容结构，金属电容结构与腔体校准并键合；第三基板上设置有谐振器模块，谐振器模块包括多个分离环，多个分离环相互嵌套构成互补结构。本发明尿酸微波生物传感器具有高品质因数，待测溶液固定在腔体中，以使检测位置及溶液形状均被固定，显著提高了其检测的灵敏度和精确度，而且在实现生物传感响应的测量时，能够提供一种近距离非接触/无线测量的可行性方案，使得整个检测操作方便快速，节省了检测时间，有利于商业化推广使用。

Description

基于RFID概念的尿酸微波生物传感器及其应用
技术领域
本发明涉及生物传感器技术领域，尤其是指一种基于RF ID概念的尿酸微波生物传感器及其应用。
背景技术
尿酸是人体的代谢产物，也是嘌呤的代谢最终产物。若人体中尿酸浓度异常，则会影响人体细胞的正常功能，也会反映出嘌呤代谢的相关疾病，长期尿酸过高则会引发痛风，高尿酸血症，尿酸性肾病等各种疾病，因此尿酸的检测非常重要。通过尿酸浓度的检测，能够准确的反映自身尿酸的变化情况，掌握尿酸的浓度是否超标，能够帮助人体避免各种尿酸过高或过低引起的疾病，在分析疾病的临床诊断和治疗方面发挥着日益广泛的作用。目前检测尿酸浓度的方法包括单酶法、尿酸传感器法、伏安法、高效液相色谱法和钨钼磷酸法等。
上述五种检测方法对于尿酸浓度的检测各有利弊，其中单酶法的基本原理是通过单一的酶促反应后利用各种方法直接测定产物的浓度来求得待测物的含量，该方法虽然由于操作简便，样品处理简单而得到广泛应用，但是其缺点在于样品的制作过程过于繁杂且反应所需时间过长。尿酸传感器采用流动注射分析系统，由样品混合器、恒流泵、覆盖酶膜的氧化极、流动池、热交换器、循环恒温水浴锅、溶氧控制器以及积分仪组成，该方法由于操作过程简单而得到广泛应用，但是其缺点在于尿酸酶易受到环境变化的影响从而影响测量精度，寿命一般只有两年，并且所需设备多，流程复杂，难以实现小型化和商业化。将通过测量电流/电压曲线进行分析的方法统称为“伏安法”。近年来，伏安法检测尿酸浓度在理论研究和实际运用于临床诊断上都取得了很大的发展。伏安法的优势在于检测结果准确，灵敏度较高，抗干扰能力较强，操作简便，样品处理简单，缺点在于同样所需设备较多，且流程复杂。高效液相色谱法所用的流动相简单，分离效果好，操作简便、快速，但是其缺点在于常常需要麻烦费时的样品预处理或使用复杂的柱切换设备。磷钨酸还原法是利用无蛋白滤液中的尿酸在碱性环境中可被磷钨酸氧化成尿囊素及二氧化碳，同时磷钨酸被还原成钨蓝，之后根据钨蓝的颜色深浅，用710nm波长的滤光板与同样处理的标准滤光板进行比色，通过计算空白调零点的数量即可求出尿酸浓度值。这种方法的优点在于操作简单，分析速度快，样品用量少，适用于临床检验，但该方法缺点在于还原法需要制备无蛋白滤液，使方法变得繁杂，其二在于尿酸本身性质在酸性条件下极不稳定会因操作不当使其与蛋白质产生沉淀而影响其重复性，最重要的是处理后的测定波长的吸光范围较大，所以线性关系不好，测定尿酸浓度的灵敏性不高。
因此迫切需要一种操作快速方便又精确检测尿酸浓度的方法。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中操作复杂繁琐以及检测精确度低的缺陷。
为解决上述技术问题，本发明一种基于RFID概念的尿酸微波生物传感器，包括依次层叠设置的第一基板、第二基板和第三基板；
所述第一基板设置有微流体通道，所述微流体通道包括腔体，利用所述腔体容置定量的待测溶液；
所述第二基板设置有金属电容结构，所述金属电容结构与所述腔体校准并键合；
所述第三基板上设置有谐振器模块，所述谐振器模块包括多个分离环，多个分离环相互嵌套构成互补结构，在微波频段，其能够在垂直于所述第三基板的方向辐射穿透所述金属电容结构和所述腔体的电磁通量，以使所述电磁通量能够与所述金属电容结构和所述腔体耦合,实现谐振器模块微波参数的变化。
在本发明的一个实施例中，所述谐振器模块包括馈线，所述馈线设置在第三基板上构成微波信号输入端，所述馈线与所述分离环的间隙为0.1-0.3mm。
在本发明的一个实施例中，所述馈线的长度为11.0-11.5mm，宽度为1.3-1.5mm。
在本发明的一个实施例中，每个分离环均设置有开口，开口的间距为0.1-0.3mm，且一对分离环的开口处于所述互补结构的对立面。
在本发明的一个实施例中，所述金属电容结构包括对称设置的多个木梳型金属线和哑铃型金属线，所述哑铃型金属线和木梳型金属线耦合构成与所述腔体连接的电容区域。
在本发明的一个实施例中，木梳型金属线的线宽为0.1-0.3mm，木梳型金属线的齿线间距为0.2-0.4mm；哑铃型金属线的线宽为0.1-0.3mm，相邻的哑铃型金属线的间距为0.2-0.4mm。
在本发明的一个实施例中，所述金属电容结构包括金属块，所述金属块设置在第二基板上，所述金属块连接木梳型金属线。
在本发明的一个实施例中，所述微流体通道包括输入端和输出端，所述输入端和所述输出端均连接所述腔体。
在本发明的一个实施例中，还包括第一校准模块和第二校准模块，所述第一校准模块和第二校准模块分别设置在第一基板和第二基板上，通过所述校准模块的校准实现第一基板和第二基板的准确贴合。
此外，本发明还提供一种如上述所述的基于RF I D概念的尿酸微波生物传感器在检测尿酸浓度以及对于介电常数敏感的溶液浓度方面的应用。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明尿酸微波生物传感器由设置有微流体通道的第一基板、设置有金属电容结构的第二基板以及设置有谐振器模块的第三基板层叠而成，其中谐振器模块包括多个分离环，多个分离环相互嵌套构成互补结构，具有高品质因数，待测溶液固定在腔体中，以使检测位置及溶液形状均被固定，显著提高了其检测的灵敏度和精确度，而且在实现生物传感响应的测量时，能够提供一种近距离非接触/无线测量的可行性方案，使得整个检测操作方便快速，节省了检测时间，有利于商业化推广使用。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例一的结构示意图。
图2是本发明实施例一中显示微流体通道的结构示意图。
图3是本发明实施例一中显示金属电容结构的结构示意图。
图4是本发明实施例一中显示谐振器模块的结构示意图。
说明书附图标记说明：100、第一基板；110、腔体；120、输入端；130、输出端；140、连接腔；150、第一校准模块；200、第二基板；210、金属电容结构；211、木梳型金属线；212、哑铃型金属线；213、金属块；220、第二校准模块；300、第三基板；310、谐振器模块；311、分离环；312、馈线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例一
下面对本发明提供的一种基于RFID概念的尿酸微波生物传感器实施例一进行介绍，参见图1至图4，实施例一包括：
请参见图1至图4所示，一种基于RFID概念的尿酸微波生物传感器包括依次层叠设置的第一基板100、第二基板200和第三基板300，第一基板100上设置微流体通道，第二基板200上设置有金属电容结构210，金属电容结构210与微流体通道校准并键合，第三基板300上设置有谐振器模块310。
关于每个基板的具体设计结构如下：
谐振器模块310：谐振器模块310包括多个分离环311，多个分离环311设置在第三基板300(优选PCB基板)上，多个分离环311相互嵌套构成互补结构。优选的，谐振器模块310由两个分离环311相互嵌套，例如其中一个分离环311的总长度可以为36.6mm，另一个分离环311的总长度可以为25.4mm，两个分离环311对应弯折成边长为9.2mm和6.4mm的类正方形结构且互补嵌套。这里弯折结构的设计能够节省空间，优化谐振器模块310的整体面积，其尺寸较小，可以达到20.7mm×9.2mm，便于实现小型化结构的设计。
进一步地，每个分离环311均设置有开口，开口的间距为0.1-0.3mm。优选的，开口的间距可以为0.2mm且一对分离环311的开口处于互补结构的对立面。
还有谐振器模块310包括馈线312，馈线312设置在第三基板300上构成微波信号输入端，馈线312与分离环311的间隙为0.1-0.3mm。优选的，馈线312与分离环311的间隙为0.2mm，其中馈线312的长度为11.0-11.5mm，宽度为1.3-1.5mm，优选的，馈线312可以由长度为11.3mm、宽度为1.5mm的金属线构成。
在微波频段，上述的谐振器模块310能够呈现高品质因数(经计算其Q值约为45.67)，且在垂直于第三基板300的方向辐射穿透金属电容结构210和微流体通道的电磁通量，以使电磁通量能够与金属电容结构210和微流体通道耦合,实现谐振器模块310微波参数的变化。
金属电容结构210：金属电容结构210由两个对称的木梳型金属线211和哑铃型金属线212紧密耦合而成，该木梳型金属线211和哑铃型金属线212相互耦合构成电容区域，该电容区域的尺寸可以为3.9mm×3.8mm。其中木梳型金属线211的线宽为0.1-0.3mm，木梳型金属线211的齿线间距为0.2-0.4mm；哑铃型金属线212的线宽为0.1-0.3mm，相邻的哑铃型金属线212的间距为0.2-0.4mm。优选的，木梳型金属线211的线宽为0.1mm，木梳型金属线211的齿线间距为0.3mm；哑铃型金属线212的线宽为0.1mm，相邻的哑铃型金属线212的间距为0.3mm。
电容区域在接触不同浓度的尿酸溶液时，能够检测电容容值的变化，其优点在于能够大大提高待测生物标记物溶液与电容结构的接触面积，使其与金属线充分接触，大幅度提高电容的幅值变化，从而提升测量的灵敏度。
进一步地，金属电容结构210包括金属块213，金属块213设置在第二基板200(优选玻璃基板)上，金属块213连接木梳型金属线211，木梳型金属211线分别左右延长0.5mm即可连接一个金属块213，金属块213是一个上边长为0.1mm，下边长为1mm的梯形和一个1mm×1mm的正方形组合而成。
还有，第二基板200上设置有第二校准模块220，该第二校准模块220可以为0.9mm×0.9mm的正方形结构，其可以与第一基板100上的第一校准模块150进行校准，有效防止因校准不佳而导致微流体通道偏移以及检测精度不准确的问题。优选的，同样的第二校准模块220在其对称位置存在4个，以便更加准确地进行校准。
在微波频段，上述的金属电容结构210能够构成金属-空气-金属型的电容，可实现0.3pF左右的容值。由于该金属电容结构210具有充足的金属线间隙区域，当不同浓度的尿酸溶液与其接触后，电容值的变化较为敏感，有利于后续构成谐振器模块310的谐振频率的变化，有助于高效提升微波生物传感器的检测灵敏度。
微流体通道：微流体通道包括腔体110、输入端120和输出端130，输入端120和输出端130均连接腔体110，该输入端120和输出端130均可以是直径为2.6mm的圆形，该腔体110可以是4.3mm×4.2mm的矩形腔体，圆形和矩形腔体之间可以通过一个长为2.0mm、宽为0.1mm的长方形的连接腔140连接而成。该矩形腔体不是完整的矩形腔体，其内部结构与第二基板200的电容区域基本互补，其余与电容区域重合部分舍弃，目的是为了进一步减少样品溶液的使用量。而且该矩形腔体刚好可以与第二基板200的电容区域实现间隙的完美嵌合，使得被测尿酸溶液与金属电容结构210充分接触，从而获得更大的电容容值变化，最终反映为微波生物传感器检测灵敏度的提升。
进一步地，待测尿酸溶液固定在微流体通道的腔体110中进行测量，保证其测量位置固定且溶液形状固定，大大提高了其检测的精确性。
还有，第一基板100(优选PDMS材质的基板)上设置有第一校准模块150，该第一校准模块150可以为1mm×1mm的正方形结构，其可以与第二基板200上的第二校准模块220进行校准，有效防止因校准不佳而导致微流体通道偏移以及检测精度不准确的问题。优选的，同样的第一校准模块150在其对称位置存在4个，以便更加准确地进行校准。
上述设置有微流体通道的第一基板100、设置有金属电容结构210的第二基板200以及设置有谐振器模块310的第三基板300层叠设置，共同构成了本发明提出的尿酸微波生物传感器。当不同浓度的待测尿酸溶液通入微流体通道后，将矢量网络分析仪连接到谐振器模块310，通过微波的方法来检测尿酸溶液浓度的变化。在实际应用中，只需在微流体通道中注入0.835微升的尿酸溶液，溶液经过输入端120进入腔体110中与第二基板200的金属电容结构210充分接触，从而改变电容的值，而整体的第二基板200处于谐振器模块310的中央区域，电容值的变化会导致谐振器谐振频率的偏移，记录谐振频率的变化并与尿酸溶液的浓度值对应，便可以拟合得到尿酸溶液浓度与谐振频率f之间的对应关系。
本发明尿酸微波生物传感器由设置有微流体通道的第一基板100、设置有金属电容结构210的第二基板200以及设置有谐振器模块310的第三基板300层叠而成，其中谐振器模块310包括多个分离环311，多个分离环311相互嵌套构成互补结构，具有高品质因数，待测溶液固定在腔体110中，以使检测位置及溶液形状均被固定，显著提高了其检测的灵敏度和精确度，而且在实现生物传感响应的测量时，能够提供一种近距离非接触/无线测量的可行性方案，使得整个检测操作方便快速，节省了检测时间，有利于商业化推广使用。
本发明还能够为真实环境下待测溶液流经血管、毛细管道、微通道等情况提供一种可行的溶液浓度测量方案，以及诸如葡萄糖溶液、乙醇溶液和DNA溶液等对于介电常数敏感的生物标记物溶液，可以采纳该发明提出的微波生物传感器作为检测器件。
实施例二
下面对本发明提供的一种基于RFID概念的尿酸微波生物传感器实施例二进行介绍，实施例二基于上述实施例一实现，并在实施例一的基础上进行了一定程度上的拓展。
本实施例微波生物传感器为可拆卸结构，对于任何符合谐振器面积大小的生物标记物敏感结构都可以实现多次利用。具体的设计结构如下：
由金属电容结构210和谐振器模块310通过电磁耦合的方式构成本发明提出的微波谐振器，其中在电容区域使用两个木梳型金属线211和一个哑铃型金属线212，谐振器模块310使用两个分离环311通过电磁耦合的方式进行连接。电容区域的间隙和分离环311的开口等效为两个电容，分离环311的线长等效为一个电感，上述电容和电感构成的等效电路可以为后续谐振器的分析提供更加精确的等效电路建模。其中微波谐振器的工作频率可以通过下面的等式确定，
Figure BDA0003084919270000081
式中，L等效和C等效分别表示等效总电感和等效总电容。
上述实施例的优点在于：谐振器工作频率3.97GHz，回波损耗44.71dB，整体尺寸仅为20.7mm×9.2mm，能够应用于S波段的射频系统；微波传感器可以拆卸并多次更换，有利于微波谐振器的维护和多次重复测量；对于小型化的微波谐振器芯片，能够有效的应用到生物传感器系统平台的数据采集终端。
实施例三
下面对本发明提供的一种基于RFID概念的尿酸微波生物传感器的应用实施例三进行介绍，实施例三基于上述实施例一实现，并在实施例一的基础上进行了一定程度上的拓展。
本实施例提供了基于RFID概念的尿酸微波生物传感器在检测尿酸浓度方面的应用。测量时将待测尿酸溶液注入微流体通道中，当尿酸溶液浓度变化时，因为不同尿酸溶液其介电常数不同，且浓度与介电常数是成比例的，因此不同的浓度的尿酸溶液通过微流体通道的输入端并流入微流体通道的腔体后，其会与金属电容结构210充分接触，金属电容结构210中的金属线与金属线之间会被尿酸溶液所填充，继而改变金属电容结构210的有效介电常数，使得电容的容值随之发生变化，进而引起谐振器谐振频率的变化，实现谐振频率与待测尿酸溶液浓度之间的生物传感响应关系。
具体的操作流程如下：分别在微流体通道中通入浓度为2mg/dL、4mg/dL、6mg/dL、8mg/dL、10mg/dL和20mg/dL的尿酸溶液，每次通入具有一定浓度的尿酸溶液之前，用去离子水和磷酸盐缓冲液溶液彻底冲洗2-3遍，然后再通入N2并在热板上加热烘干，继而进行下一种浓度尿酸溶液的注入。将谐振器模块310接到矢量网络分析仪进行射频测量，观察谐振器的谐振频率f。临床上正常人血清中尿酸的范围是2.5-7.5mg/dL，从实验的结果可以得出，在中心频率2.81-3.28GHz范围内，在室温下使用各种浓度的尿酸样品测量，回归分析显示待测尿酸溶液浓度与谐振器f的偏移之间具有良好的线性相关性。对测量得到的数据进行整理分析，得到表征尿酸生物标记物溶液浓度的关键参数，例如灵敏度、反应时间以及检测限度值。对诸如乙醇溶液、葡萄糖溶液以及DNA溶液等对于介电常数敏感的生物标记物溶液，可以采纳该发明提出的生物传感器作为检测器件；对诸如DNA溶液、胆固醇溶液等昂贵测量样品，可以采纳该发明提出的生物传感器，仅通过微升级的溶液用量即可完成测量，极大的节省了成本，提高了生物标记物溶液的利用率。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种基于RFID概念的尿酸微波生物传感器，其特征在于，包括依次层叠设置的第一基板、第二基板和第三基板；
所述第一基板设置有微流体通道，所述微流体通道包括腔体，利用所述腔体容置定量的待测溶液；
所述第二基板设置有金属电容结构，所述金属电容结构与所述腔体校准并键合；
所述第三基板上设置有谐振器模块，所述谐振器模块包括多个分离环，多个分离环相互嵌套构成互补结构，在微波频段，其能够在垂直于所述第三基板的方向辐射穿透所述金属电容结构和所述腔体的电磁通量，以使所述电磁通量能够与所述金属电容结构和所述腔体耦合,实现谐振器模块微波参数的变化；
所述金属电容结构包括对称设置的多个木梳型金属线和哑铃型金属线，所述哑铃型金属线和木梳型金属线耦合构成与所述腔体连接的电容区域，木梳型金属线的线宽为0.1-0.3mm，木梳型金属线的齿线间距为0.2-0.4mm；哑铃型金属线的线宽为0.1-0.3mm，相邻的哑铃型金属线的间距为0.2-0.4mm，所述金属电容结构包括金属块，所述金属块设置在第二基板上，所述金属块连接木梳型金属线；
所述腔体为矩形腔体，其内部结构与第二基板的电容区域互补，其余部分与电容区域的重合部分舍弃，以将所述腔体与金属电容结构的间隙嵌合；
还包括第一校准模块和第二校准模块，所述第一校准模块和第二校准模块分别设置在第一基板和第二基板上，通过所述校准模块的校准实现第一基板和第二基板的准确贴合。
2.根据权利要求1所述的基于RFID概念的尿酸微波生物传感器，其特征在于：所述谐振器模块包括馈线，所述馈线设置在第三基板上构成微波信号输入端，所述馈线与所述分离环的间隙为0.1-0.3mm。
3.根据权利要求2所述的基于RFID概念的尿酸微波生物传感器，其特征在于：所述馈线的长度为11.0-11.5mm，宽度为1.3-1.5mm。
4.根据权利要求1所述的基于RFID概念的尿酸微波生物传感器，其特征在于：每个分离环均设置有开口，开口的间距为0.1-0.3mm，且一对分离环的开口处于所述互补结构的对立面。
5.根据权利要求1所述的基于RFID概念的尿酸微波生物传感器，其特征在于：所述微流体通道包括输入端和输出端，所述输入端和所述输出端均连接所述腔体。
6.一种如权利要求1-5中任意一项所述的基于RFID概念的尿酸微波生物传感器在检测尿酸浓度以及对于介电常数敏感的溶液浓度方面的应用。
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