CN102954985A - 一种电阻抗式细菌快速检测传感器的数据分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电阻抗式细菌快速检测传感器的数据分析方法。该传感器基于电阻抗法原理，采用MEMS技术，设计并制造了叉指式电极用于细菌的快速测定。将叉指式电极采集到的阻抗和相位信号进行处理，获得Nyquist曲线。而Nyquist曲线的斜率对细菌的数量进行了良好的表征。在细菌生长过程中Nyquist曲线的斜率变化近似呈线性关系，以此建立此参数值与样品中原始菌量的关系，用于细菌种类及细菌数量的测定。该数据分析方法降低了对测试电极以及测量环境的要求，并缩短了细菌测定所需要的时间，可用于微生物的快速检测中。

Description

一种电阻抗式细菌快速检测传感器的数据分析方法

技术领域

本发明涉及一种电阻抗式细菌快速检测传感器的数据分析方法。所述的方法可用于微生物的快速检测中。

背景技术

快速探测活菌是一个难题。通常所采用的方法是在装有琼脂的细菌培养皿中完成。细菌数量一般每20-40分钟翻一倍，所以要达到探测所需的菌落的细菌数量需要较长的时间。这种依靠培养基进行培养、分离及生化鉴定的传统方法，既费时费力，又繁杂。为了能快速、方便、正确地检验食品微生物，近几年来，许多国家对此进行了研究，并取得了进展。

微生物阻抗检测法是通过测定微生物生长繁殖导致的电阻抗变化来对微生物进行定性定量分析的一种快速检测方法。该方法所需时间短，能够将细菌生长的时间缩短至2-3个小时，并且检测精确度高。随着自动化技术和计算机的应用，更使其在微生物检测领域展现出独特优势。

目前，电阻抗法应用于微生物的检测已有很多的报道，且已有应用相关原理进行检测的产品，但是主要是运用电极测得的电阻值、电抗值或电容值进行样品中细菌数量的表征。通过文献调研及实验积累发现这些测量参数对于测试电极的设计要求和测量环境要求较高，且其变化幅度较小。

本发明试图基于电阻抗法，设计叉指式电极，此电极在测量系统中的等效模型为电阻与电容的串联。将电极测量得到的阻抗和相位进行分析处理，获得Nyquist曲线，建立Nyquist曲线斜率与细菌数量的标准曲线，最终用Nyquist曲线的斜率来有效的表征样品中的细菌数量。与其他电阻抗法检测微生物的技术相比，本发明具有电极设计简单，由细菌生长引起的参数变化量大、检测速度快、成本低等优点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电阻抗式细菌快速检测传感器的数据分析方法，具体地说本发明是将叉指式电极采集到的阻抗和相位信号进行处理，获得Nyquist曲线，建立Nyquist曲线斜率与细菌数量的标准曲线，最终用Nyquist曲线斜率来有效的表征样品中的细菌数量，从而进行微生物的快速检测。

本发明的目的是通过叉指式电极的设计和制造、阻抗和相位信号的采集、数据的分析测定三个主要步骤实现的。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

1)根据测试需求完成叉指式电极的设计和制作，使电极在测量系统中的等效模型为电阻与电容的串联。

2)将待测的溶液(样品)注入测量电极的腔体中，利用阻抗和相位测量仪器在扫频模式下进行测量，一定的时间间隔后，再次测量，重复数次。

3)将获得的阻抗和相位值变换为电阻值(阻抗的实部)和电抗值(阻抗的虚部)，得到Nyquist曲线，测得各Nyquist曲线的斜率值，作为细菌数量的表征。亦可将获得的相位值取其正切值作为细菌数量的表征。做出Nyquist曲线斜率(或相位正切值)与细菌数量的标准曲线，在相同条件下测试，则可在短时间内通过测量Nyquist曲线斜率值(或相位的正切值)获得样品中细菌的数量。

本发明构建的数据分析方法将由电极直接测得的数据差异进行放大，因此在一定程度上降低了由外界环境对测量结果造成的干扰，使得由细菌数量变化造成的差异突显出来。该数据分析的方法为微生物的快速检测奠定了良好的基础。

总之，本发明阐述了一种电阻抗式细菌快速检测传感器的数据分析方法。该传感器基于电阻抗法原理，采用MEMS技术，设计并制造了叉指式电极用于细菌的快速测定。将叉指式电极采集到的阻抗和相位信号进行处理，获得Nyquist曲线。而Nyquist曲线的斜率对细菌的数量进行了良好的表征。在细菌生长过程中Nyquist曲线的斜率变化近似呈线性关系，以此建立此参数值与样品中原始菌量的关系，用于细菌种类及细菌数量的测定。该数据分析方法降低了对测试电极以及测量环境的要求，并缩短了细菌测定所需要的时间，可用于微生物的快速检测中。

附图说明

图1为本发明实施例的叉指式电极的结构示意图。

图2为叉指式电极的制作流程示意图，图中(a)涂光刻胶；(b)光刻；(c)显影；(d)溅射Au金属层；(e)剥离形成电极。

图3为本发明实施例的Nyquist曲线的示意图(1-5表示为时间的先后顺序)。

图4为本发明实施例的细菌培养时间与所测得的Nyquist曲线斜率对应关系的示意图。

图5为本发明实施例的相位正切值的示意图(1-5表示为时间的先后顺序)。

具体实施方式

下面结合附图和上述三个步骤进一步说明本发明实质性特点和显著的进步，但本发明绝非仅局限于实施例。

实施例1步骤1中叉指式电极的制作

叉指式电极(interdigitated array，IDA)是一对彼此交叉在一起的电极阵列。指状子电极的间距为微米级或纳米级，能够用少量的待测液体获得所需结果。随着电极尺寸减小，不同阻抗区域所对应的频率相应变小，细菌生长前后阻抗的变化在较低频率下就可测出。与简单的对电极相比，IDA电极具有更小的尺寸和更大的表面积，使细菌有更高的几率粘附在电极表面，可以在较短的时间内用较少的液体完成测量任务。

使用剥离工艺(Lift-off)在玻璃片上形成图形化的Au金属薄层，结构示意图如图1、制作流程如图2所示。

实施例2电极参数的影响因素

电极的参数对于测试电极系统的灵敏度至关重要。电极的材料、厚度、叉指对数以及电极的指间间距和宽度的比例均会影响到测试系统的灵敏度。实验发现信号的强度与整个电极阵列的表面积有关，且指电极宽度会降低使信噪比增加。

溅射Au层厚度为0.1um，在指间间距和宽度的比例为1∶1、叉指对数20对、叉指电极长度为2mm的条件下，测试指电极宽度与灵敏度的关系。设置指电极的宽度为20um、25um、30um、50um、100um、200um。实验结果初步证明在此待测条件下，电极的灵敏度随指电极的宽度降低而增加。

溅射Au层厚度为0.1um，在指间间距和宽度的比例为1∶1、叉指电极长度2mm、指电极的宽度为25um的条件下，测试叉指对数与灵敏度的关系。设置叉指对数为1、2、4、8、16、32。结果表明在此待测条件下，叉指电极的灵敏度随叉指对数的增加而增加。

另外还设计实验测试了指间间距和宽度的比例与灵敏度的关系以及电极材料对于灵敏度的影响，如ITO材料在玻璃上的电极、Au在玻璃上的电极、Pt在玻璃上的电极以及金在硅上的电极。

此电极的灵敏度与众多参数的设置有关，在测试环境下找到一个合适的电极参数来提高电极的灵敏度。

实施例3

当测量电极加入样品后，电极与溶液之间界面的电双层，一般等效于一个电容器，称为电双层电容，因此所述的双层电容的频响特性与“纯电容”并不一致，存在“弥散效应”。等效的元件为常相位角元件(CPE)Q。此电极测试系统的等效模型为等效常相位角元件Q与等效电阻R的串联。它的阻抗为：

Y是等效元件Q的参数，其量纲为Ω^-1·cm^-2·s^-n；n为无量纲的指数，且0＜n＜1。在Nyquist曲线上的轨迹是一条斜率等于

且与实轴相交于R的直线(如图3所示)。

虽然电双层电容与“纯电容”的频响特性有或大或小的“弥散效应”，但本质上是一致的。为了使问题分析简化，将等效常相位角元件Q简化为“纯电容”C。

由于细菌在生长过程中新陈代谢，将培养基中的组分转化为带大量电荷的中间产物，生理代谢作用使培养基中的电惰性物质(如碳水化合物、类脂、蛋白质)转化为电活性物质，脂肪代谢为重碳酸盐，大分子物质转化为小分子物质。随着细菌的增长，培养基中电活性分子和离子逐渐取代了电惰性分子，使导电性增强。而一般说来，导电离子的增多使得介电常数ε减小，将等效模型中的电容视为平板电容，而

(ε为样品溶液的介电常数，A为相对面积，d为两平板间的间距)，A、d为常数，所以介电常数ε的减小造成等效电容C的变小。

而

C变小则I增大。由于Z＝R+jI，测量中发现，在细菌培养生长过程中R的变化不大，所以随着细菌的增长，I增大，则tanθ的绝对值逐渐变大(如图5所示)。

Nyquist曲线斜率就是等效常相位角元件Q相位角的正切值

细菌在生长过程中代谢过程造成Q中参量n的不同，从而使

变化，即斜率变化(如图4所示)。

所以本发明选用Nyquist曲线的斜率或相位的正切值来表征样品中细菌的数量。

Claims (7)

1.一种电阻抗式细菌快速检测传感器的数据分析方法，其特征在于包括以下步骤：

a)根据测试需求完成叉指式电极的设计和制作，使电极在测量系统中的等效模型为电阻与电容的串联；

b)将待测的溶液注入测量电极的腔体中，利用阻抗和相位测量仪器在扫频模式下进行测量，一定的时间间隔后，再次测量，重复数次；

c)将获得的阻抗和相位值变换为电阻值和电抗值，得到Nyquist曲线，测得各Nyquist曲线的斜率值，作为细菌数量的表征；或将获得的相位值取其正切值作为细菌数量的表征，作出Nyquist曲线斜率或相位正切值与细菌数量的标准曲线，在相同条件下测试，则可在短时间内通过测量Nyquist曲线斜率值或相位的正切值获得样品中细菌的数量。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于所述的叉指式电极是一对彼此交叉在一起的电极阵列，所述的指状子电极的间距为微米级或纳米级。

3.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的叉指电极是在玻璃片上形成图形化的Au薄层，使用剥离工艺形成叉指电极。

4.按权利要求2所述的方法，其特征在于所述叉指电极间距和宽度比为1∶1，叉指电极长度为2mm，叉指对数为20对。

5.按权利要求4所述的方法，其特征在于叉指电极的灵敏度随叉指对数的增加而增加，随叉指电极的宽度降低而增加。

6.按权利要求1所述的方法，其特征在于步骤b所述的待测溶液注入测量电极的腔体时，电极和待测溶液之间界面的电双层等效于一个电双层电容，电极测试系统的等效模型为等效常相位角元件Q与等效电阻R的串联。

7.按权利要求6所述的方法，其特征在于所述的等效模型阻抗为：

$Z=R+\frac{1}{Y{\mathrm{\ω}}^n}\cos \left(\frac{\mathrm{n\π}}{2}\right)-j\frac{1}{Y{\mathrm{\ω}}^n}\sin \left(\frac{\mathrm{n\π}}{2}\right)$

式中Y是等效元件Q的参数，量纲为Ω^-1·cm^-2·s^-n，n为无量纲的指数，且0＜n＜1。

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