無線遙感電感傳感器的研發(fā)及在生物化學(xué)檢測(cè)方面的應(yīng)用.pdf

1、本文致力于無線遙感電感傳感器的研發(fā),并首次將其應(yīng)用于生物化學(xué)分析中。電感是衡量線圈產(chǎn)生電磁感應(yīng)能力的物理量。傳感器由蝕刻的感應(yīng)芯片(sensor)和螺線管(loop antenna)兩對(duì)互感線圈組成,其中感應(yīng)芯片浸沒在檢測(cè)的溶液中,當(dāng)液體介質(zhì)電導(dǎo)率和介電常數(shù)發(fā)生變化時(shí),將改變螺線管線圈和感應(yīng)芯片線圈的互感作用,同時(shí)也改變螺線管線圈和感應(yīng)芯片線圈的共振頻率。因此,可以利用線圈電感的變化來間接檢測(cè)感應(yīng)芯片周圍的液體的性質(zhì)。感應(yīng)芯片線圈信號(hào)的

2、激發(fā)與傳送是通過磁場(chǎng)進(jìn)行的,作為感應(yīng)元件的芯片與檢測(cè)儀器之間不需任何的物理連接,屬于無線遙感(wireless,remote)傳感器。電感傳感器無線遙感的特征及無損、無污染的檢測(cè)使其在很多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景?；谏鲜鲈?本論文主要開展了以下幾方面的研究工作:
　　 (1)無線遙感電感傳感器的研發(fā)
　　 首次研發(fā)了以電感為檢測(cè)信號(hào)的無線遙感傳感器,論證了其檢測(cè)原理并對(duì)基礎(chǔ)物理參數(shù)(螺線管線圈的匝數(shù)、浸沒的液體體積、螺

3、線管線圈匝數(shù)和液體體積的比值)進(jìn)行了優(yōu)化。該傳感器的感應(yīng)芯片體積小、制作簡(jiǎn)單,并可重復(fù)利用,可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)。
　　 (2)無線遙感電感傳感器對(duì)不同水樣總鹽度的測(cè)定
　　 基于感應(yīng)芯片在不同的溶液介質(zhì)中會(huì)與螺線管線圈產(chǎn)生不同的互感效應(yīng),可以用不同的電感值來反應(yīng)不同溶液介質(zhì)的性質(zhì)。采用5種不同的鹽溶液(氯化鉀、磷酸鹽緩沖溶液、硫酸鈉、氯化鈣、硫酸鎂)研究了電感傳感器對(duì)鹽濃度的響應(yīng)。在被測(cè)溶液鹽濃度為0～0.8mM之間,傳感器

4、的響應(yīng)與鹽濃度成線性,氯化鉀、硫酸鈉、氯化鈣、硫酸鎂的檢測(cè)限分別為50μM、43μM、43μM和25μM。另外,鹽溶液離子的帶電量越大越有助于兩線圈之間的互感作用,檢測(cè)也靈敏。采集5種不同環(huán)境水樣(超純水、自來水、岳麓山泉水、湘江水、雨水),用電感傳感器檢測(cè)其中鹽溶液的濃度,并與傳統(tǒng)的電導(dǎo)檢測(cè)方法進(jìn)行比較,兩種方法的結(jié)果基本相同,并且電感的檢測(cè)方法比傳統(tǒng)的電導(dǎo)檢測(cè)具有更低的檢測(cè)限。鑒于以上結(jié)果,構(gòu)建的無線遙感電感傳感器對(duì)溶液鹽度有很好的

5、響應(yīng),有望實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)廢水和生活污水的檢測(cè)。
　　 (3)無線遙感電感傳感器對(duì)微生物的檢測(cè)
　　 以大腸桿菌為例,研究傳感器對(duì)微生物的響應(yīng)。大腸桿菌在生長(zhǎng)過程中,消耗營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),產(chǎn)生代謝產(chǎn)物,會(huì)引起大腸桿菌培養(yǎng)液電導(dǎo)率和介電常數(shù)的改變,將感應(yīng)芯片放入大腸桿菌的培養(yǎng)液中,通過檢測(cè)電感值的改變,實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控大腸桿菌的生長(zhǎng)。另外,大腸桿菌進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的時(shí)間(IST)和進(jìn)入衰亡期的時(shí)間(IET)都與培養(yǎng)基中開始放入大腸桿菌的量有

6、關(guān),利用傳感器檢測(cè)不同起始濃度的大腸桿菌進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期和衰亡期的時(shí)間,發(fā)現(xiàn)IST和IET與起始菌濃度呈線性關(guān)系。因此,可以根據(jù)該線性關(guān)系來定量未知樣品中的大腸桿菌濃度,也可進(jìn)行大腸桿菌的抗藥性研究。以上結(jié)果表明,無線遙感傳感器有望于應(yīng)用于微生物的檢測(cè),避免直接接觸而帶來的感染和污染。
　　 (4)無線遙感電感傳感器用于葡萄糖的檢測(cè)
　　 基于無線遙感的特點(diǎn),研究了傳感器對(duì)體外葡萄糖測(cè)定的穩(wěn)定性、生物相容性及響應(yīng)靈敏度。不