微流控微波生物传感器

HaHa

参考文献：[1]王彦雄,陈仟龙,周小满,等.基于聚二甲基硅氧烷微流控芯片的微波生物传感器研究进展[J].分析化学,2024,52(12):1797-1806.DOI:10.19756/j.issn.0253-3820.241190.
将微流控技术与微波生物传感技术结合，可以增强传感器的灵敏度，实现单个或多个样品的高通量分析；
对极少量的样品也能进行有效、低成本的微波无损检测分析，有望应用于生物样本的临床快速诊断或实时检测；
能够在单一平台上实现从样品处理到检测的自动化，或者在同一块微流控芯片上集成多个微波传感器，实现多种物理和化学参数的实时检测。
1.    生物传感器

生物传感器通过换能器将生物待测样品的不同特征（如浓度、种类和分子量等）转换为不同类型的电信号（如电压脉冲、频率和阻抗等），实现目标检测，包括提供快速且准确的病原学诊断、指导临床抗生素的合理应用、分析人体微生物之间的相互作用机制等。
微波生物传感器利用微波器件对生物样品溶液介电常数变化的响应实现生物传感功能。
与电化学和光学生物传感器相比，微波生物传感器响应速度快、非侵入、可靠性高、无标记和易集成。
2.    基于PDMS微流控芯片的微波生物传感器

微波传感芯片通常将金属结构设计、加载在特定基板（如玻璃、硅、碳化硅、砷化镓和印刷电路板等）上以实现传感响应，其中，玻璃基板和硅基板能够通过等离子表面处理工艺和PDMS微流控芯片技术高效集成。
基于PDMS微流控芯片的微波生物传感器根据微波传感器种类的不同可分为低温共烧陶瓷（LTCC）式、太赫兹（THZ）超材料式、缺陷地结构（DGS）式以及薄膜微带式。
1)    低温共烧陶瓷式

LTCC是一种采用陶瓷基底和金属导体材料共同烧结的工艺，其主要特点是可在较低温度（通常为850~900℃)下进行烧结，避免高温对材料或器件的损害，具有优良的介电性能和低损耗特性。



谐振天线型LTCC微流控生物传感器

图A是一种新型的LTCC式无线微流控生物传感器，该传感器由平面螺旋电感和平行板电容组成，形成谐振天线结构，并与集成在基板内的微流控通道共同组成无线传感系统，可实时检测有机液体的介电常数。



多频谐振型LTCC微流控生物传感器

图B是基于微波谐振和干涉叠加原理，设计出的LTCC微波微流控传感器，其工作频段为2.45和5.80GHz。在完成待测溶液中多巴胺的线性传感响应测量后，建立了待测溶液浓度的微波介电预测模型。
2)    太赫兹超材料式

超材料作为一种通过人工设计实现的新型材料，展现出了超越传统自然材料的电磁特性，如负折射率、异常高的介电常数和磁导率等。
THz波对生物分子（如水和蛋白质等）具有高敏感性，已成为生物检测领域的研究热点。
将THz波传感器与超材料结合，可以通过特定的结构设计和电磁响应特性增强传感器的特异性和灵敏度。



SRR阵列型THz超材料生物传感器

图C为集成微流控通道的THz超材料生物传感器，该传感器利用双间隙超材料结构捕获甲胎蛋白（AFP）和谷氨酰胺转移酶同工酶Ⅱ（GGT-Ⅱ)，并通过监测谐振频率的偏移表征传感响应。



十字形型THz超材料生物传感器

图D是一种十字形超材料结构，在益生菌实验中，最大谐振偏移可达到89GHz，并且在0.025mg/50μL的低浓度下仍能产生0.72GHz的偏移。
3)    缺陷地结构式

平面天线在空间中的能量耦合会降低天线的辐射性能，减少电磁通量与被测生物介质之间的相互作用，降低传感灵敏度。
通过在微带线接地金属板上蚀刻特定的栅格结构，集中金属导体的表面电流，改变传输线的分布电感和分布电容，抑制平面天线的能量耦合，减少辐射损耗并改善微波谐振特性。



微带贴片型微流控生物传感器

图A是一种与仿生微流控通道集成的微带贴片天线，采用DGS影响接地金属面中的电流分布，增加电感；
同时，利用仿生微流通道固定葡萄糖溶液的体积容量，减少实验误差，增强了葡萄糖浓度、谐振频率和反射系数之间的传感响应相关性，验证了该天线在早期血糖水平检测中的可行性。



差分谐振型微流控生物传感器

为了提高传感性能的精确度，图B为基于CSRR的差分型微波谐振器，该谐振器利用DGS降低微带贴片单元间的相互耦合效应。
该谐振器通过采用差分结构减少温度、湿度等环境变量产生的干扰，并通过在电场集中的敏感区域——凹槽位置集成微流控通道，进一步提高器件的检测灵敏度。
4)    薄膜微带式

薄膜微带技术也是一种常见的微波谐振结构加工方法，通过在绝缘基板表面上沉积导电薄膜（通常是金属），形成导体和介质层结构，构建多种微波器件。



CSRR阵列型微流控生物传感器

图C一种集成微流控通道的高灵敏平面微波传感器，专门用于监测糖尿病患者血液中葡萄糖浓度（70~150mg/dL）变化。
该传感器的传感单元由蚀刻在基板底部的3个圆形CSRR级联形成，相较于仅含单个谐振单元的传感器，灵敏度和分辨率显著提升，还有效减小了环境因素带来的测量误差。



CSRR负载贴片型微流控生物传感器

图D 为CSRR负载贴片型微流控生物传感器，利用负载方形贴片的CSRR测试并分析了浓度在0~100%范围内的乙醇溶液，通过介电扰动法表征了微流控通道内不同浓度乙醇溶液的谐振频偏，浓度检出限低至10%。

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