组成图示
点击图片查看大图 · 依据论文自动绘制
传感器类型
其他（微波介质谐振器生物传感器）
检测对象
葡萄糖（glucose），样品基质为去离子水/葡萄糖水溶液（aqueous glucose solution）
检测原理
该传感器采用无标签介电识别机制：葡萄糖分子溶解于去离子水后，使溶液复介电常数随浓度近似线性增加，εg=εw+cΔ，其中Δ′=0.0577 (mg/ml)^-1、Δ″=0.0015 (mg/ml)^-1（25 °C）。当溶液滴入介质谐振器圆柱空气隙时，局部介电扰动改变TE01模式的谐振条件，使谐振频率发生偏移，Δf/f0≈2cΔ′Vg/(εdVd)；同时改变谐振器输入阻抗实部，使反射系数S11=20log[(ZinR−Z0)/(ZinR+Z0)]变化。高Q谐振器放大微小介电变化，网络分析仪同时读取S11幅度和频率偏移，从而定量反映葡萄糖浓度。
检测灵敏度
detectable resolution: 5 mg/ml；smallest detectable change: 10 mg/ml；线性范围: 低浓度区（原文未给明确上下限）；测量范围: DI water–300 mg/ml；灵敏度斜率: ∂S11/∂c=0.00004 1/(mg/ml) in the linear scale；RMS noise: 5×10^-7；SNR: 38 dB
效应效果
实验在25 °C下测量去离子水至300 mg/ml葡萄糖溶液，S11和Δf/f随浓度增加而增大，与理论曲线一致。低浓度区S11对浓度线性，斜率∂S11/∂c=0.00004 1/(mg/ml)；S11噪声约5×10^-7，SNR约38 dB，最小可检测变化约10 mg/ml，摘要称可分辨5 mg/ml。样品体积1–5 μl时，S11随体积增加下降，频率偏移增加，5 μl后饱和。温度影响明显：1、10、100 mg/ml时S11温度系数约0.076、0.078、0.087 %/°C，频率偏移温度系数约0.45、0.42、0.38 %/°C。作者认为该器件非接触、无标签、无需样品处理，可用于临床、生物研究和食品工业葡萄糖检测。
传感器的构成
- 换能器电极：微带线（microstrip line），有效阻抗Z0=50 Ω，用于耦合微波信号并连接网络分析仪
- 介质谐振器：高温陶瓷介质谐振器（high temperature ceramic dielectric resonator），εd=88，尺寸14×5×7 mm3，形成高Q谐振腔并激发TE01模式
- 激励电极：金属条（metal strip），置于介质谐振器上，作为电极激发TE01模式
- 样品腔：圆柱形空气隙（cylindrical air gap），直径lg=1.6 mm、高hg=2 mm，容纳葡萄糖水溶液并作为介电扰动区
- 传感介质：葡萄糖水溶液（aqueous glucose solution），直接滴入空气隙，其介电常数随葡萄糖浓度变化，实现无标签识别
- 读出仪器：网络分析仪（network analyzer），测量反射系数S11和共振频率
中文摘要
本文报道了一种基于介质谐振器的近场微波生物传感器，用于检测葡萄糖水溶液中的葡萄糖浓度。该传感器由工作频率约1.68 GHz的高Q介质谐振器与微带线耦合构成，通过测量微波反射系数S11和共振频率偏移来感知葡萄糖浓度变化。葡萄糖浓度改变会引起溶液介电常数变化，进而改变介质谐振器与溶液之间的电磁相互作用，导致S11幅度和谐振频率发生可测偏移。实验在25 °C下进行，将葡萄糖溶液直接滴入谐振器圆柱形空气隙中。结果表明，在约1.68 GHz工作频率下，该传感器可实现5 mg/ml的葡萄糖浓度分辨能力，且S11和频率偏移随浓度增加而增大，与理论模型一致。
英文摘要
We report a near-field microwave biosensor based on a dielectric resonator to detect glucose concentration. A microwave biosensor with a high Q dielectric resonator allows observation of the small variation of the glucose concentration by measuring the shift of the resonance frequency and the microwave reflection coefficient S(11). We observed the concentration of glucose with a detectable resolution up to 5 mgml at an operating frequency of about f=1.68 GHz. The change in the glucose concentration is directly related to the change in the reflection coefficient due to the electromagnetic interaction between the dielectric resonator and the glucose solution.