液體電諧振傳感檢測系統的技術實現

廖 靜，周 奇，劉 勇，秦 勇，蔡雅玲，龐亞妮，尹志勇

(1.重慶理工大學 藥學與生物工程學院， 重慶 400054；2.第三軍醫大學 大坪醫院野戰外科研究所 交通醫學研究所， 重慶 400042)

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液體電諧振傳感檢測系統的技術實現

廖 靜1，周 奇1，劉 勇1，秦 勇1，蔡雅玲1，龐亞妮1，尹志勇2

(1.重慶理工大學 藥學與生物工程學院， 重慶 400054；2.第三軍醫大學 大坪醫院野戰外科研究所 交通醫學研究所， 重慶 400042)

基于液體電諧振傳感原理，提出液體電諧振傳感檢測方法。基于這一理論方法研發設計了液體電諧振傳感檢測系統，并開展了相關的實驗研究。介紹了液體電諧振傳感檢測系統的構成及其各部分工作原理，并對液體電諧振傳感檢測系統進行初步實驗驗證。通過各個初步實驗得出液體電諧振傳感檢測系統對同種液體的不同濃度具有較好的區分能力，適用于導電液體和非導電液全范圍監測，可以實時無標記監測微生物生長變化，具有多通道、無需標記、高靈敏度和高準確性等特點。

液體電諧振；傳感器；液相檢測；無標記

壓電石英晶體可作為生物傳感器，以其快速、簡單、無需任何標記等優點，已廣泛地應用于生物醫學的各個領域中。但由于壓電石英晶體傳感器本身工作原理的限制，壓電石英晶體傳感器在液相中的靈敏度不如在氣相環境檢測中高[1]。2008年，周宇坤[2]基于壓電石英晶體傳感器非質量效應傳感理論進行液相物體檢測，通過實驗裝置的改進，發現并提出液體電諧振理論。他的研究發現液體表現出類似壓電晶體的電諧振現象，測得的頻率變化可以達到幾兆赫茲，而壓電晶體的頻率變化一般在幾十到幾千赫茲的范圍之內，這個頻率已不屬于壓電晶體的諧振頻率。

1 壓電石英晶體傳感器工作原理

壓電石英晶體生物傳感器分為質量型與非質量型，前者主要通過將一些生物活性分子固定在石英晶體表面構成敏感膜，通過反應所致的傳感器表面質量負載的變化導致了傳感器頻率的相應變化，特異性地檢測某些待測物質；后者則反映了石英晶體所處體系溶液的密度、黏度、介電常數、導電性等的變化[3-5]。壓電石英晶體質量傳感的理論基礎是在1959 年由Sauerbrey提出的Sauerbrey 方程奠定[6]。Sauerbrey 方程反映了壓電石英晶體諧振頻率的改變與晶體表面質量負載的變化成負相關[7]。隨著壓電晶體的發展，國內外學者在研究壓電石英晶體在液體中應用時得出的多數結果并不符合Sauerbrey 提出的理論。因此，學者圍繞實驗結果提出了多種“壓電晶體的非質量效應”假說予以解釋， 并導出相關的與壓電晶體本身和液體的密度、黏度、電導率、介電常數等數學模型，為非質量型壓電石英晶體傳感器提供了理論基礎[2,6-7]。

壓電石英晶體傳感器由石英諧振器(探頭)、振蕩器、信號檢測和數據處理系統等組成，原理圖如圖1所示[1]。壓電石英晶體生物傳感器檢測的關鍵在于振蕩電路能否有效地驅動石英晶體探頭在諧振頻率下振蕩，進而獲得穩定的頻率信號。

圖1 壓電石英晶體傳感器的組成

2 液體電諧振原理

任何液體都是由極性分子或非極性分子組成，且分子在相對應的平衡位置附近振蕩，其振蕩頻率與其 “內在性質”——黏彈性、密度、介質常數、成分及濃度等參數有關，因此振蕩頻率表征著液體的綜合內在性質。若在液體中置入兩個電極，且施加以交變激勵電壓，液體分子振蕩頻率會隨外加交變電壓的作用而發生變化。在一般情況下，液體分子的振幅幅值非常微小，但當外加交變電壓的頻率與液體分子固有振蕩頻率相同時，則液體分子的振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現象成為“液體電諧振”[8]。

當液體“內在性質不變”時，它的振蕩頻率是一定的，如果液體任一性質(如黏彈性、密度、介質常數、成分及濃度等)發生變化，則這時的液體已不是“原來液體”了，其振蕩頻率一定會發生變化，它是液體性質變化的綜合反應[2]。液體的振蕩頻率變化后，可用特定設計的芯片式電極，結合所設計相應的檢測系統可以實現液體電諧振頻率測量。由此，在一個封閉的環境下，當液體其他參數(如介電常數、電導率、密度、pH值等)固定，只讓某一個參數變化，采用結構特征參數確定的特定芯片式電極，可獲得由于液體某一參數(如粘彈性)變化而引起的液體諧振頻率的變化，從而可用電諧振頻率來表征液體“內在性質”的改變[8]。由于液體分子間的相互作用比固體小得多，所以液體固有頻率更易受到液體“內在性質”變化的影響，引起自身頻率的較大變化，比其作用于壓電晶體引起壓電晶體頻率變化大得多。故從理論上講，用液體電諧振頻率來表征液體性質變化具有更高的靈敏度。

3 設計思路與結構介紹

3.1 設計思路

基于液體電諧振原理，對壓電石英晶體傳感器進行改裝，將檢測晶體探頭及參考晶體探頭替換為可承載液體的液體承載皿，直接對液體進行檢測。通過檢測液體電諧振頻率的變化來實時反映液體內在性質變化。液體電諧振傳感系統的關鍵是將液體當作與壓電晶體一樣具有固定諧振頻率的物體，所測得的諧振頻率可直接反映待檢測液體的某種性質。與壓電石英晶體傳感器類似，液體電諧振傳感器的關鍵是設計合適的激勵震蕩電路刺激液體發生電諧振，以準確獲取液體電諧振頻率。液體電諧振傳感系統主要由液體承載皿、激勵振蕩選頻電路、等精度頻率測量模塊、數據通信控制模塊和計算機控制系統組成，系統整體設計結構圖如圖2所示。

圖2 液體電諧振傳感系統設計框圖

3.2 設儀器構成及結構介紹

液體電諧振傳感系統是一種自動化的液體檢測工具，由液體檢測傳感器和計算機控制系統兩大部分組成，如圖3所示。液體檢測傳感器通過串口與計算機控制系統連接通信。液體檢測傳感器由含傳感器的液體承載皿1、激勵振蕩選頻電路2、等精度頻率測量模塊3和數據通信控制4這4部分組成。其中，液體承載皿設計多通道，通道可根據需要進行擴展。使用時將待檢測液體置入液體承載皿中，激勵振蕩選頻電路則在液體承載皿兩端施加交變電壓使液體發生諧振，選擇輸出其液體諧振頻率信號；等精度頻率測量模塊完成對激勵振蕩選頻電路液體電諧振頻率的測量，存儲諧振頻率計數值；數據通信控制部分控制讀取等精度頻率測量模塊的頻率計數值，傳送頻率數據至計算機處理。計算機系統對接收到的頻率計數值進行計算處理得出最終測試頻率結果。同時，計算機系統具備繪制頻率—時間變化曲線圖功能，可用于液體的動態監測。

圖3 液體電諧振傳感系統結構

3.2.1 液體承載皿

液體承載皿用于承載待檢測液體，是液體電諧振檢測方法的傳感單元，也是激勵振蕩選頻電路的重要組成部分。液體只有處于激勵振蕩電路中受交變震蕩信號激勵才會產生諧振，所以液體承載皿必須滿足導電特性。吸取壓電石英晶體傳感器叉指陣列微電極的優點，液體承載皿中的傳感器采用交叉式鍍金芯片傳感電極[9-10]，如圖4所示。鍍金芯片滿足了檢測必需的導電性和穩定性；交叉式設計增大了液體與傳感器的接觸面積，有利于液體提高檢測靈敏度。這種交叉式鍍金傳感電極可確保大多數生物化學反應的正常進行，同時具有較高精確性和可重復性。

圖4 交叉式鍍金傳感電極

3.2.2 激勵振蕩選頻電路

激勵振蕩選頻電路的作用是使液體發生電諧振，并輸出液體電諧振頻率，是整個傳感系統的關鍵。因液體電諧振頻率可達幾兆赫茲，故激勵振蕩選頻電路的核心芯片選取超高速比較器LT1016，其反應速度可達10 ns，工作頻率可達25 MHz。激勵振蕩選頻電路中比較器的最高工作頻率決定了該選頻電路能選出的最高頻率，參照LT1016典型應用電路設計，液體電諧振傳感系統的激勵振蕩選頻電路可選擇的頻率范圍在20 kHz～20 MHz，完全滿足液體諧振頻率的檢測。激勵振蕩選頻電路工作原理如圖5所示。在激勵振蕩選頻電路中，液體可看作一個晶振，經激勵振蕩選頻電路刺激產生諧振，差頻比較，最后輸出電諧振頻率。

圖5 激勵振蕩選頻電路工作原理圖

3.2.3 等精度頻率測量模塊

激勵振蕩選頻電路輸出諧振頻率后由等精度頻率測量模塊測量。測量如此高頻的液體電諧振頻率，需采用高速處理器測量，以確保測量準確。頻率測量有直接測頻法與等精度測頻法兩種。等精度測頻法測量頻率時，閘門時間不固定，而是被測信號的整數倍，即與被測信號保持同步，能消除對被測信號計數所產生的±1個數字的誤差，使測量精度大為提高[11]。介于上述優點，液體電諧振傳感系統設計采用等精度測頻法測量液體電諧振頻率。針對處理高頻諧振頻率，選擇高速處理器測量，利用EDA技術實現。等精度頻率測量模塊的核心芯片是EPM1270，它屬于CPLD可編程邏輯器件，其工作速度快、靈活性高，它彌補了以普通單片機以及ARM為控制器的傳統數據采集系統的不足[12]。EPM1270具有不需外部配置存儲器件、可掉電存儲、多達1270個邏輯單元、最小應用系統模塊體積小以及成本低等優點。利用EPM1270芯片結合等精度測量方法設計，確保了頻率測量的準確性。

3.2.4 數據通信控制模塊

數據通信控制模塊的作用是接收等精度頻率測量模塊的頻率數據，再根據計算機控制系統設定將該頻率數據傳送至計算機控制系統處理。數據通信控制模塊包括了與等精度頻率測量模塊的通信和與計算機控制系統的通信兩部分。數據通信控制模塊的核心控制芯片是STM8S903K3高效微控制器，電路設計原理圖如圖6所示。

圖6 數據通信控制電路

數據通信控制模塊與等精度頻率測量模塊的通信，數據傳輸采用雙線控制并行傳輸，8根數據傳輸線(DATA0,…,DATA7)，一根開始傳輸控制線(READSTART)，控制一組數據傳輸起始時間；一根字節傳輸控制線(READCLK)，控制每一字節傳輸時間。兩根控制線(TESTTIME0，TESTTIME1)控制頻率測試時間，兩根控制線(CH0，CH1)控制通道選擇，設計框圖如圖7所示。

圖7 通信設計框圖

頻率測試時間選擇方案見表1，由數據通信控制模塊控制兩信號線的狀態，頻率測量模塊的EPM1270通過判斷兩信號線的狀態組合決定頻率測試閘門時間大小，由此達到控制頻率測試時間。控制線(CH0，CH1)的狀態決定測試通道，由頻率測量模塊的EPM1270讀取判斷，增加控制線即可增加測試通道。

表1 頻率測試時間選擇方案

數據通信控制模塊與計算機控制系統之間的通信采用Modbus通信協議。Modbus 協議是應用于電子控制器上的一種通用協議。通過此協議，控制器相互之間可以通信，控制器經由網絡(例如以太網)和其他設備之間可以進行通信。它已經成為通用工業標準之一。基于Modbus 協議，可將不同廠商生產的控制設備可以連成工業網絡，進行集中監控[13]。本文采用Modbus 協議完成了計算機獲取多個通道細胞監測頻率數據，計算機控制選擇頻率測量時間以及頻率采樣時間等操作。

數據通信控制模塊程序流程如圖8所示，重點是控制讀取頻率測量模塊的頻率測量值并傳送數據至計算機處理，程序包含2個中斷子程序，其中串口中斷優先于定時中斷5。定時中斷5用于定時讀取頻率測量模塊中的頻率數據，串口中斷進行頻率數據接收和處理，串口接收的所有頻率數據最終傳送至計算機再深入處理。

圖8 數據通信控制模塊程序流程

3.2.5 計算機控制系統

計算機控制系統主要用于分析處理液體電諧振頻率變化的相關數據，顯示液體電諧振頻率變化的動態過程，并控制液體電諧振傳感系統的相關參數。計算機控制系統操作界面借助Microsoft Visual Studio 2010集成開發平臺，使用VB語言編寫，具有數據處理、分析、顯示和存儲等功能。計算機控制系統交互界面如圖9所示。人機交互界面簡潔明了，操作簡單方便。主界面實時動態顯示各通道液體監測曲線及當前諧振頻率值。根據需要，可對通信串口參數進行設置，對顯示通道進行選擇，同時可隨時點擊保存液體監測頻率數據。

圖9 計算機控制系統操作界面

4 實驗驗證

4.1 鹽水實驗

首先進行液體濃度區分驗證，選擇不同濃度NaCl溶液進行實驗。實驗材料及儀器：

1) 溶液：不同濃度NaCl溶液(0.9%，2%，4%,…,18%)，10種，每種5 mL；

2) 蒸餾水，若干；

3) 燒杯10個，移液管1只。

10種不同濃度NaCl溶液，分別測量每種濃度溶液電諧振頻率，連續測量2次，實驗結果如圖10所示。隨著NaCl溶液濃度的增加，NaCl電諧振頻率下降。在NaCl較低濃度時，NaCl電諧振頻率下降明顯，由此判斷液體電諧振傳感系統對較低濃度的溶液區分能力較強。

圖10 不同濃度NaCl溶液電諧振頻率

4.2 導電液體與非導電液體實驗

液體可分為導電液體與非導電液體，選擇導電液體與非導電液體分別進行測試實驗，檢驗液體電諧振傳感系統是否能對導電液體和非導電液體進行檢測區分。實驗中導電液體選擇KCl溶液，非導電液體選擇酒精溶液，測試結果如圖11及圖12所示：隨著酒精濃度的增加，其電諧振頻率增大；隨著KCl溶液濃度的增加，其電諧振頻率減小。KCl溶液的濃度在0～0.02 mol/L時其電諧振頻率變化明顯，濃度在0.02～0.1 mol/L時其電諧振頻率趨于零。由此可得：無論是導電液體還是非導電液體，當液體濃度不同或者液體的導電率發生改變時，其溶液的電諧振頻率均有所不同或變化，液體電諧振傳感系統對導電液體和非導電液體均能進行檢測區分。

圖11 不同濃度酒精電諧振頻率

圖12 不同濃度KCl溶液電諧振頻率

4.3 細菌實驗

為探尋液體電諧振傳感系統在生物醫學領域中的應用，選擇大腸桿菌進行其生長監測實驗。細菌培養條件不苛刻，容易存活，所以選擇細菌對液體電諧振傳感系統做驗證評估。大腸桿菌在生長過程中其培養液性質會發生變化，理論上監測曲線諧振也會隨培養液性質的變化而變化。

實驗材料及儀器：大腸桿菌(液體培養基)；單道可調移液器，1只；系統處于37 ℃恒溫條件。

經6 h培養，記錄得到圖13所示的監測曲線，圖中反應了大腸桿菌培養過程中前6 h其電諧振頻率呈下降趨勢。在這6 h內大腸桿菌的數目不斷增加，電諧振頻率值隨大腸桿菌的數目增加而減小。在360 min左右開始出現上升趨勢，這是因為：由于實驗條件受限使大腸桿菌培養基蒸發引起的，空載時電諧振頻率較大，隨著液體蒸發使芯片響應臨近空載狀態。

圖13 大腸桿菌培養監測曲線

4.4 總結分析

由上述試驗可分析得出，液體電諧振傳感系統具有以下3種特性：① 對同種液體的不同濃度具有較好的區分能力；② 適用于導電液體和非導電液全范圍監測；③ 可以實時監測微生物生長變化，并具有多通道、無需標記、高靈敏度和高準確性等特點。

5 結束語

液體電諧振傳感系統將液體的電諧振特性用于到檢驗分析，從一個全新的角度將電子技術與生物技術進行了融合應用，為實時無標記動態生化檢測技術提供了新的技術方法。該方法能更加方便、準確、快捷地實現實時檢測，使生物醫學領域相關研究更為省時、高效，能提高生命科學研究效率，為生物醫學領域研究提供更為豐富的信息。液體電諧振傳感系統有望成為一種新型的生物傳感檢測系統，可廣泛應用于基礎生命科學領域，如醫學免疫學檢測、臨床檢驗、食品安全等。

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(責任編輯 何杰玲)

Technology Implementation of Liquid Electric Resonance Sensing Detection System

LIAO Jing1, ZHOU Qi1, LIU Yong1, QIN Yong1,CAI Ya-ling1, PANG Ya-ni1, YIN Zhi-yong2

(1.School of Pharmacy and Bioengineering, Chongqing University of Technology,Chongqing 400454, China; 2. Military Research Institute of Traffic Medicine, Daping Hostital &Institute of Surgery Research, Third Military University, Chongqing 400042, China)

Based on the liquid electric resonance sensing principle, liquid electric resonance sensor detection method was put forward. In view of the above-mentioned method, we designed a liquid electric resonance sensing detection system, and carried out the relevant experimental study. This paper mainly introduced the composition of the liquid electric resonance sensing detection system, the working principle of its each part and the preliminary experimental verification of it. Through those preliminary experiments, it is concluded that concluded that the following three points. Firstly, the liquid electric resonance sensing detection system has better ability to distinguish between different concentrations to the same liquid. Second, it is suitable to monitor conductive liquid and non-conductive liquid full range. Finally, it can unmarked real-time monitoring microbial growth change. Meanwhile the liquid electric resonance sensing detection system has many quality characteristics, such as multichannel measurement, label-free, high sensitivity and high accuracy, etc.

liquid electric resonance; sensor; liquid detecting; label-free

2016-11-28

國家自然科學基金資助項目(31271006)

廖靜(1991—),女,重慶人,碩士研究生,主要從事生物醫學信息檢測與處理研究;通訊作者 周奇(1962—),男,重慶人,教授,主要從事醫療工程技術與應用研究，E-mail:.

廖靜，周奇，劉勇，等.液體電諧振傳感檢測系統的技術實現[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(4):88-94.

format：LIAO Jing, ZHOU Qi, LIU Yong, et al.Technology Implementation of Liquid Electric Resonance Sensing Detection System[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(4):88-94.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.04.014

R318.6

A

1674-8425(2017)04-0088-07