CN113218968A - 酵母菌测试用高灵敏度微波生物传感器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种酵母菌测试用高灵敏度微波生物传感器，包括层叠设置的第一基板和第二基板；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；第二基板设置有微波谐振器，微波谐振器包括金属电容结构和金属电感结构，金属电容结构包括级联型交指电容，金属电感结构包括蜿蜒型电感，级联型交指电容与蜿蜒型电感并联，级联型交指电容与腔体校准并键合。本发明级联型交指电容与蜿蜒型电感并联，极大地提高了器件的品质因数，同时减小了器件的芯片尺寸，显著提高了其检测的灵敏度和精确度，而且实现了微量定量检测，极大地降低了测试溶液的成本，使得整个检测操作方便快速，节省了检测时间，有利于对细胞计数的方法进行商业化推广应用。

Description

酵母菌测试用高灵敏度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，尤其是指一种酵母菌测试用高灵敏度微波生物传感器及其应用。

背景技术

酵母菌是一种单细胞真核微生物，个体较大，属于高等微生物的真菌类，细胞宽度(直径)约2-6μm，长度5-30μm。酵母菌与人类关系密切，是应用最广泛的一类微生物，在酿造，食品，医药工业等方面占有重要地位。通过酵母菌的数目来监测食品及其原材料是否有真菌大量生长或发生了霉变，是评价食品卫生学的重要指标之一。酵母菌能够制作发面、保护肝脏、制品疏松、改善风味、以及增加营养，因此测量酵母菌的数量具有重要意义。

目前检测酵母菌的方法有两种：直接计数法和间接计数法。直接计数法是利用血球计数板在显微镜下直接计数，能够直接得到数值，但是这个方法对于设备要求比较高，而且需要额外滴加美蓝染色液；此外，酵母菌可能位于计数板方格的边框区域，导致不方便计数、计算复杂、求平均值时需要计入死亡的酵母菌细胞等不利因素；直接计数法在测量时需对样品做适当稀释，该过程会引入一定的误差；在标记待测细胞时，原始细胞会由于和标记物的反应导致结构发生明确地改变，导致分析之后不能再重复使用，而且标记步骤通常昂贵、耗时。间接计数法是在平板上长成菌落后再计数，酵母菌的数据收集和分析计算比较真实，但其最大的缺点是速度慢，还需要对菌液做梯度稀释，而且要保证菌悬液涂布均匀，才能较好的反映菌落的疏密程度。

上述两种检测酵母菌的方法存在操作复杂繁琐、检测时间长以及检测灵敏度低等问题。

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、检测时间长以及检测灵敏度低的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明提供一种酵母菌测试用高灵敏度微波生物传感器，包括层叠设置的第一基板和第二基板；

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微波谐振器，所述微波谐振器包括金属电容结构和金属电感结构，所述金属电容结构包括级联型交指电容，所述金属电感结构包括蜿蜒型电感，所述级联型交指电容与所述蜿蜒型电感并联，其中所述级联型交指电容与所述腔体校准并键合，使得腔体内定量的待测溶液能够充分接触所述级联型交指电容。

在本发明的一个实施例中，所述微波谐振器还包括金属线结构，所述级联型交指电容通过所述金属线结构与所述蜿蜒型电感并联。

在本发明的一个实施例中，级联型交指电容的数量为两个，两个级联型交指电容对称设置于所述蜿蜒型电感的两侧，且两个级联型交指电容与所述蜿蜒型电感并联。

在本发明的一个实施例中，单个级联型交指电容包括多个交指电容，多个交指电容呈中心对称设置。

在本发明的一个实施例中，每个交指电容包括交指线，所述交指线的线宽为100-200μm，相邻交指线的线间距为100-200μm，金属厚度为5-10μm。

在本发明的一个实施例中，所述蜿蜒型电感包括金属线，所述金属线的线宽为100-200μm，相邻金属线的线间距为100-200μm，金属厚度为5-10μm。

在本发明的一个实施例中，所述微波谐振器还包括微波信号输入模块和微波信号输出模块，所述微波信号输入模块和微波信号输出模块分别连接所述金属线结构的输入端和输出端。

在本发明的一个实施例中，所述微流体通道还包括与所述腔体相连的输入端口和输出端口，所述腔体的数量为两个，两个腔体分别连接所述输入端口和所述输出端口，且两个腔体相连接。

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，通过第一校准模块和第二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，本发明还提供一种上述所述的酵母菌测试用高灵敏度微波生物传感器在检测酵母菌溶液方面的应用。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明提出的微波谐振器包括级联型交指电容和蜿蜒型电感，级联型交指电容与蜿蜒型电感并联，该结构极大地提高了器件的品质因数，同时减小了器件的芯片尺寸，显著提高了其检测的灵敏度和精确度，而且待测溶液固定在腔体中，实现了微量定量检测，极大地降低了测试溶液的成本，使得整个检测操作方便快速，节省了检测时间，有利于对细胞计数的方法进行商业化推广应用。

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微波谐振器的结构示意图。

说明书附图标记说明：100、第一基板；110、腔体；120、输入端口；130、输出端口；140、第一校准模块；200、第二基板；210、金属电容结构；220、金属电感结构；230、微波信号输入模块；240、微波信号输出模块；250、第二校准模块。

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酵母菌测试用高灵敏度微波生物传感器实施例一进行介绍，参见图1至图3，实施例一包括：

请参见图1至图3所示，一种酵母菌测试用高灵敏度微波生物传感器包括依次层叠设置的第一基板100和第二基板200，第一基板100上设置微流体通道，第二基板200上设置有微波谐振器。

微流体通道包括腔体110，利用腔体110容置定量的待测溶液。

微波谐振器包括金属电容结构210和金属电感结构220，金属电容结构210包括级联型交指电容，金属电感结构220包括蜿蜒型电感，级联型交指电容与蜿蜒型电感并联，其中级联型交指电容与腔体110校准并键合，使得腔体110内定量的待测溶液能够充分接触级联型交指电容。

其中微波谐振器的具体设计结构如下：

微波谐振器：微波谐振器以第二基板200(这里指玻璃基板)为承载体，其具体包括一个蜿蜒型电感和两个级联型交指电容，两个级联型交指电容对称设置于蜿蜒型电感的两侧，蜿蜒型电感和级联型交指电容以并联方式连接构成微波谐振器的结构。其中蜿蜒型电感可以由10匝蜿蜒金属线组成，金属线的线宽为100-200μm，相邻金属线的线间距为100-200μm，金属厚度为5-10μm。作为优选的，金属线的线宽为100μm，相邻金属线的线间距为100μm，金属线的线长为10386μm，金属厚度为10μm，所占面积为4100μm×5200μm。另外单个级联型交指电容包括多个交指电容，多个交指电容呈中心对称设置。优选的，单个级联型交指电容包括四个交指电容，四个交指电容呈中心对称结构。每个交指电容包括交指线，交指线的线宽为100-200μm，相邻交指线的线间距为100-200μm，金属厚度为5-10μm。作为优选的，交指线的线宽为100μm，相邻交指线的线间距为100μm，整体线长为28800μm，金属厚度为10μm，所占面积为2300μm×2300μm，级联型交指电容的整体结构为正方形，交指遍布整个正方形结构，交指线之间留有间隙，用于通入酵母菌溶液。

微波谐振器还包括金属线结构、微波信号输入模块230和微波信号输出模块240，微波信号输入模块230和微波信号输出模块240分别连接金属线结构的输入端和输出端，级联型交指电容通过金属线结构与蜿蜒型电感并联。具体的，金属线结构为梯形，梯形金属线结构的上边长可以为100μm，下边长可以为500μm，高可以为300μm。微波信号输入模块230和微波信号输出模块240结构相同，均为矩形结构，其尺寸可以为937.5μm×1000μm，金属厚度可以为10μm。

第二基板200上还设置有第二校准模块250，该第二校准模块250可以为900μm×900μm的正方形结构，其可以与第一基板100上的第一校准模块140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250在其对称位置存在4个，以便更加准确地进行校准，目的是为了保证PDMS微流体定量通道能够和微波谐振器精确对准，保证两个电容结构能够被PDMS微流体定量通道完整覆盖，确保后续实验过程中酵母菌溶液能够充分的接触电容的金属结构，使得电容的容值产生较大幅度的改变，进而对微波谐振器的谐振频率产生较大幅度的改变，最终提升酵母菌溶液的检测灵敏度。

另外微流体通道的具体设计结构如下：

微流体通道：微流体通道第一基板100(这里指PDMS板)为承载体，其包括腔体110、输入端口120和输出端口130，腔体110的数量为两个，两个腔体110分别连接输入端口120和输出端口130，且两个腔体110相连接。具体的，输入端口120和输出端口130的结构相同，直径可以为2600μm，其高度与腔体110的高度相同，均可以为100μm。还有输入端口120、腔体110和输出端口130之间可以由三段连接腔连接，其尺寸可以分别为100μm×2000μm、100μm×5800μm以及100μm×2000μm。上述腔体110与级联型电容的交指间隙互补，能够把所有的交指间隙连接在一起，有利于引导酵母菌溶液通过，保证被测酵母菌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，最终实现微波生物传感器的高灵敏度检测特性。

第一基板100上还设置有第一校准模块140，该第一校准模块140可以为900μm×900μm的正方形结构，其可以与第二基板200上的第二校准模块250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140在其对称位置存在4个，以便更加准确地进行校准。

上述微波谐振器和微流体通道组合在一起即可构成本发明提出的酵母菌测试用高灵敏度微波生物传感器。微流体通道用于通入酵母菌溶液，利用微波信号输入模块230和微波信号输出模块240作为两个测量Pad点，采用跳线的方式接入。蜿蜒型电感和两个级联型交指电容并联接到输入输出模块，接入形状近似为三角形，远离输入输出模块的地方较窄，靠近输入输出模块的地方较宽，该设计的目的是为了进一步提升器件的品质因数，同时减小了器件的芯片尺寸，能够实现更高的生物检测灵敏度。此外，由于检测敏感区域的关键尺寸仅在几微米级别，本发明能够实现单细胞级别的酵母菌生物传感响应检测。

还有，级联型交指电容的交指间隙与酵母菌溶液的接触面积大，导致电容值变化大，能够实现微波生物传感器的高灵敏度；微流体通道的定量测量腔体110与级联型交指电容键合互补，腔体110的厚度在保证酵母菌可以随意通过的同时仅需0.488uL的待测酵母菌溶液即可实现测量，且所需溶液的用量是一定的，能够保证测量的精确性。上述测量过程对酵母菌没有任何损伤，定量检测后可以回收继续使用。

本发明提出的微波谐振器包括级联型交指电容和蜿蜒型电感，级联型交指电容与蜿蜒型电感并联，该结构极大地提高了器件的品质因数，同时减小了器件的芯片尺寸，显著提高了其检测的灵敏度和精确度，而且待测溶液固定在腔体110中，实现了微量定量检测，极大地降低了测试溶液的成本，使得整个检测操作方便快速，节省了检测时间，有利于对细胞计数的方法进行商业化推广应用。

本发明提出的微波生物传感器在酵母菌等单细胞生物计数中有较大的应用前景，特别是在检测和研究隐藏在大量异质细胞群体中的稀有和罕见细胞时，这类生物传感器的应用潜力很大，可以将本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酵母菌测试用高灵敏度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。

本实施例由蜿蜒型电感和两个级联型交指电容并联构成本发明中提出的微波谐振器，该蜿蜒型电感一共有10圈金属线，其一共有20个拐角，该等效电路可以为后续谐振器的结构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：

其中，L和C分别表示蜿蜒型电感的电感值和级联型交指电容的电容值，谐振频率的选定对于谐振器的设计至关重要，通过对上述电感值和电容值的调节，能够实现工作在不同频率的谐振器，提高设计的灵活度。

对于蜿蜒线电感，本发明有十圈缠绕金属线，所有线圈所占平面长为5200μm，宽为4100μm，单根线宽为100μm，线与线之间的间隔也为100μm。在保证其在有限的空间发挥电感功能的同时，在谐振频率处能够实现更高的品质因数，从而减小谐振器的插入损耗，提升微波性能。

对于级联型交指电容，本发明将电容设计在电感外面，上下各一个，充分利用空间，结构紧凑，单个电容的面积为2300μm×2300μm，每一个电容的单个极板由10个交指组成，线宽100μm，线与线之间的间隙为100μm，由于本发明中使用了两个电容，所以其可调节的范围较大，即谐振器的工作频率可调度比较高，设计灵活度较高。

本发明将一个蜿蜒线电感和两个级联型交指电容并联连接，该器件的工作特性表现为一个LC谐振型带阻滤波器，当器件谐振时，通过器件的传输信号会被强烈衰减，谐振器S21参数在谐振频率处呈现最小值，输入信号被阻止。谐振器的芯片面积仅为13000μm×7900μm；中心频率和传输零点频率的可变范围可以保证谐振器设计的高可控性和设计灵活度。

实施例三

下面对本发明提供的一种酵母菌测试用高灵敏度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。

本实施例提供了酵母菌测试用高灵敏度微波生物传感器在检测酵母菌溶液方面的应用。微波谐振器的电磁通量具有与待测酵母菌溶液相互作用的能力：含有不同数量酵母菌的生物溶液呈现出的介电特性不同，而介电特性的不同将会使得微波谐振器的电磁通量产生不同的变化，导致微波谐振器的谐振频率发生偏移，利用谐振频率的偏移和不同数量酵母菌溶液的关系来表征生物传感响应。

测量时，通过在微流体通道内通入酵母菌溶液，即可完成酵母菌溶液浓度的检测；由于酵母菌的数量变化时，酵母菌溶液自身的介电常数也是变化的，且两者是成比例的，因此具有不同数量的酵母菌溶液通过金属电容结构210后，对微波传感器的电磁场特性的影响也不同，使得微波器件的参数特性也随之发生变化。本发明提出的微波LC型传感器通过检测端口间的散射参数，从而得到谐振频率与不同数量的酵母菌溶液之间的线性关系，然后就可以通过线性关系来计算酵母菌溶液的数量；基于蜿蜒型电感的高品质因数和电容值可控的级联型交指电容，此设计在-3dB通带范围内微波传感器散射参数S11能够下降至-40dB，能够实现高灵敏度的生物传感响应检测。

对测量得到的数据进行整理分析，能够得到表征酵母菌数量的关键参数。例如，灵敏度、反应时间、检测限度值、以及线性度；对酵母菌溶液等介电常数敏感的生物溶液，诸如葡萄糖溶液、尿酸溶液、乙醇溶液等，也可以采纳该发明提出的生物传感器作为检测器件；对一些昂贵测量样品，诸如DNA溶液、胆固醇溶液等，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 (10)

1.一种酵母菌测试用高灵敏度微波生物传感器，其特征在于，包括层叠设置的第一基板和第二基板；

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微波谐振器，所述微波谐振器包括金属电容结构和金属电感结构，所述金属电容结构包括级联型交指电容，所述金属电感结构包括蜿蜒型电感，所述级联型交指电容与所述蜿蜒型电感并联，其中所述级联型交指电容与所述腔体校准并键合，使得腔体内定量的待测溶液能够充分接触所述级联型交指电容。

2.根据权利要求1所述的酵母菌测试用高灵敏度微波生物传感器，其特征在于：所述微波谐振器还包括金属线结构，所述级联型交指电容通过所述金属线结构与所述蜿蜒型电感并联。

3.根据权利要求1或2所述的酵母菌测试用高灵敏度微波生物传感器，其特征在于：级联型交指电容的数量为两个，两个级联型交指电容对称设置于所述蜿蜒型电感的两侧，且两个级联型交指电容与所述蜿蜒型电感并联。

4.根据权利要求3所述的酵母菌测试用高灵敏度微波生物传感器，其特征在于：单个级联型交指电容包括多个交指电容，多个交指电容呈中心对称设置。

5.根据权利要求4所述的酵母菌测试用高灵敏度微波生物传感器，其特征在于：每个交指电容包括交指线，所述交指线的线宽为100-200μm，相邻交指线的线间距为100-200μm，金属厚度为5-10μm。

6.根据权利要求1或2所述的酵母菌测试用高灵敏度微波生物传感器，其特征在于：所述蜿蜒型电感包括金属线，所述金属线的线宽为100-200μm，相邻金属线的线间距为100-200μm，金属厚度为5-10μm。

7.根据权利要求2所述的酵母菌测试用高灵敏度微波生物传感器，其特征在于：所述微波谐振器还包括微波信号输入模块和微波信号输出模块，所述微波信号输入模块和微波信号输出模块分别连接所述金属线结构的输入端和输出端。

8.根据权利要求1所述的酵母菌测试用高灵敏度微波生物传感器，其特征在于：所述微流体通道还包括与所述腔体相连的输入端口和输出端口，所述腔体的数量为两个，两个腔体分别连接所述输入端口和所述输出端口，且两个腔体相连接。

9.根据权利要求1所述的酵母菌测试用高灵敏度微波生物传感器，其特征在于：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，通过第一校准模块和第二校准模块的校准实现第一基板和第二基板的准确贴合。

10.一种如权利要求1-9中任意一项所述的酵母菌测试用高灵敏度微波生物传感器在检测酵母菌溶液方面的应用。

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