液体电谐振传感检测系统的技术实现

廖 静，周 奇，刘 勇，秦 勇，蔡雅玲，庞亚妮，尹志勇

(1.重庆理工大学 药学与生物工程学院， 重庆 400054；2.第三军医大学 大坪医院野战外科研究所 交通医学研究所， 重庆 400042)



液体电谐振传感检测系统的技术实现

廖 静1，周 奇1，刘 勇1，秦 勇1，蔡雅玲1，庞亚妮1，尹志勇2

(1.重庆理工大学 药学与生物工程学院， 重庆 400054；2.第三军医大学 大坪医院野战外科研究所 交通医学研究所， 重庆 400042)

基于液体电谐振传感原理，提出液体电谐振传感检测方法。基于这一理论方法研发设计了液体电谐振传感检测系统，并开展了相关的实验研究。介绍了液体电谐振传感检测系统的构成及其各部分工作原理，并对液体电谐振传感检测系统进行初步实验验证。通过各个初步实验得出液体电谐振传感检测系统对同种液体的不同浓度具有较好的区分能力，适用于导电液体和非导电液全范围监测，可以实时无标记监测微生物生长变化，具有多通道、无需标记、高灵敏度和高准确性等特点。

液体电谐振；传感器；液相检测；无标记

压电石英晶体可作为生物传感器，以其快速、简单、无需任何标记等优点，已广泛地应用于生物医学的各个领域中。但由于压电石英晶体传感器本身工作原理的限制，压电石英晶体传感器在液相中的灵敏度不如在气相环境检测中高[1]。2008年，周宇坤[2]基于压电石英晶体传感器非质量效应传感理论进行液相物体检测，通过实验装置的改进，发现并提出液体电谐振理论。他的研究发现液体表现出类似压电晶体的电谐振现象，测得的频率变化可以达到几兆赫兹，而压电晶体的频率变化一般在几十到几千赫兹的范围之内，这个频率已不属于压电晶体的谐振频率。

1 压电石英晶体传感器工作原理

压电石英晶体生物传感器分为质量型与非质量型，前者主要通过将一些生物活性分子固定在石英晶体表面构成敏感膜，通过反应所致的传感器表面质量负载的变化导致了传感器频率的相应变化，特异性地检测某些待测物质；后者则反映了石英晶体所处体系溶液的密度、黏度、介电常数、导电性等的变化[3-5]。压电石英晶体质量传感的理论基础是在1959 年由Sauerbrey提出的Sauerbrey 方程奠定[6]。Sauerbrey 方程反映了压电石英晶体谐振频率的改变与晶体表面质量负载的变化成负相关[7]。随着压电晶体的发展，国内外学者在研究压电石英晶体在液体中应用时得出的多数结果并不符合Sauerbrey 提出的理论。因此，学者围绕实验结果提出了多种“压电晶体的非质量效应”假说予以解释， 并导出相关的与压电晶体本身和液体的密度、黏度、电导率、介电常数等数学模型，为非质量型压电石英晶体传感器提供了理论基础[2,6-7]。

压电石英晶体传感器由石英谐振器(探头)、振荡器、信号检测和数据处理系统等组成，原理图如图1所示[1]。压电石英晶体生物传感器检测的关键在于振荡电路能否有效地驱动石英晶体探头在谐振频率下振荡，进而获得稳定的频率信号。

图1 压电石英晶体传感器的组成

2 液体电谐振原理

任何液体都是由极性分子或非极性分子组成，且分子在相对应的平衡位置附近振荡，其振荡频率与其 “内在性质”——黏弹性、密度、介质常数、成分及浓度等参数有关，因此振荡频率表征着液体的综合内在性质。若在液体中置入两个电极，且施加以交变激励电压，液体分子振荡频率会随外加交变电压的作用而发生变化。在一般情况下，液体分子的振幅幅值非常微小，但当外加交变电压的频率与液体分子固有振荡频率相同时，则液体分子的振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象成为“液体电谐振”[8]。

当液体“内在性质不变”时，它的振荡频率是一定的，如果液体任一性质(如黏弹性、密度、介质常数、成分及浓度等)发生变化，则这时的液体已不是“原来液体”了，其振荡频率一定会发生变化，它是液体性质变化的综合反应[2]。液体的振荡频率变化后，可用特定设计的芯片式电极，结合所设计相应的检测系统可以实现液体电谐振频率测量。由此，在一个封闭的环境下，当液体其他参数(如介电常数、电导率、密度、pH值等)固定，只让某一个参数变化，采用结构特征参数确定的特定芯片式电极，可获得由于液体某一参数(如粘弹性)变化而引起的液体谐振频率的变化，从而可用电谐振频率来表征液体“内在性质”的改变[8]。由于液体分子间的相互作用比固体小得多，所以液体固有频率更易受到液体“内在性质”变化的影响，引起自身频率的较大变化，比其作用于压电晶体引起压电晶体频率变化大得多。故从理论上讲，用液体电谐振频率来表征液体性质变化具有更高的灵敏度。

3 设计思路与结构介绍

3.1 设计思路

基于液体电谐振原理，对压电石英晶体传感器进行改装，将检测晶体探头及参考晶体探头替换为可承载液体的液体承载皿，直接对液体进行检测。通过检测液体电谐振频率的变化来实时反映液体内在性质变化。液体电谐振传感系统的关键是将液体当作与压电晶体一样具有固定谐振频率的物体，所测得的谐振频率可直接反映待检测液体的某种性质。与压电石英晶体传感器类似，液体电谐振传感器的关键是设计合适的激励震荡电路刺激液体发生电谐振，以准确获取液体电谐振频率。液体电谐振传感系统主要由液体承载皿、激励振荡选频电路、等精度频率测量模块、数据通信控制模块和计算机控制系统组成，系统整体设计结构图如图2所示。

图2 液体电谐振传感系统设计框图

3.2 设仪器构成及结构介绍

液体电谐振传感系统是一种自动化的液体检测工具，由液体检测传感器和计算机控制系统两大部分组成，如图3所示。液体检测传感器通过串口与计算机控制系统连接通信。液体检测传感器由含传感器的液体承载皿1、激励振荡选频电路2、等精度频率测量模块3和数据通信控制4这4部分组成。其中，液体承载皿设计多通道，通道可根据需要进行扩展。使用时将待检测液体置入液体承载皿中，激励振荡选频电路则在液体承载皿两端施加交变电压使液体发生谐振，选择输出其液体谐振频率信号；等精度频率测量模块完成对激励振荡选频电路液体电谐振频率的测量，存储谐振频率计数值；数据通信控制部分控制读取等精度频率测量模块的频率计数值，传送频率数据至计算机处理。计算机系统对接收到的频率计数值进行计算处理得出最终测试频率结果。同时，计算机系统具备绘制频率—时间变化曲线图功能，可用于液体的动态监测。

图3 液体电谐振传感系统结构

3.2.1 液体承载皿

液体承载皿用于承载待检测液体，是液体电谐振检测方法的传感单元，也是激励振荡选频电路的重要组成部分。液体只有处于激励振荡电路中受交变震荡信号激励才会产生谐振，所以液体承载皿必须满足导电特性。吸取压电石英晶体传感器叉指阵列微电极的优点，液体承载皿中的传感器采用交叉式镀金芯片传感电极[9-10]，如图4所示。镀金芯片满足了检测必需的导电性和稳定性；交叉式设计增大了液体与传感器的接触面积，有利于液体提高检测灵敏度。这种交叉式镀金传感电极可确保大多数生物化学反应的正常进行，同时具有较高精确性和可重复性。

图4 交叉式镀金传感电极

3.2.2 激励振荡选频电路

激励振荡选频电路的作用是使液体发生电谐振，并输出液体电谐振频率，是整个传感系统的关键。因液体电谐振频率可达几兆赫兹，故激励振荡选频电路的核心芯片选取超高速比较器LT1016，其反应速度可达10 ns，工作频率可达25 MHz。激励振荡选频电路中比较器的最高工作频率决定了该选频电路能选出的最高频率，参照LT1016典型应用电路设计，液体电谐振传感系统的激励振荡选频电路可选择的频率范围在20 kHz～20 MHz，完全满足液体谐振频率的检测。激励振荡选频电路工作原理如图5所示。在激励振荡选频电路中，液体可看作一个晶振，经激励振荡选频电路刺激产生谐振，差频比较，最后输出电谐振频率。

图5 激励振荡选频电路工作原理图

3.2.3 等精度频率测量模块

激励振荡选频电路输出谐振频率后由等精度频率测量模块测量。测量如此高频的液体电谐振频率，需采用高速处理器测量，以确保测量准确。频率测量有直接测频法与等精度测频法两种。等精度测频法测量频率时，闸门时间不固定，而是被测信号的整数倍，即与被测信号保持同步，能消除对被测信号计数所产生的±1个数字的误差，使测量精度大为提高[11]。介于上述优点，液体电谐振传感系统设计采用等精度测频法测量液体电谐振频率。针对处理高频谐振频率，选择高速处理器测量，利用EDA技术实现。等精度频率测量模块的核心芯片是EPM1270，它属于CPLD可编程逻辑器件，其工作速度快、灵活性高，它弥补了以普通单片机以及ARM为控制器的传统数据采集系统的不足[12]。EPM1270具有不需外部配置存储器件、可掉电存储、多达1270个逻辑单元、最小应用系统模块体积小以及成本低等优点。利用EPM1270芯片结合等精度测量方法设计，确保了频率测量的准确性。

3.2.4 数据通信控制模块

数据通信控制模块的作用是接收等精度频率测量模块的频率数据，再根据计算机控制系统设定将该频率数据传送至计算机控制系统处理。数据通信控制模块包括了与等精度频率测量模块的通信和与计算机控制系统的通信两部分。数据通信控制模块的核心控制芯片是STM8S903K3高效微控制器，电路设计原理图如图6所示。

图6 数据通信控制电路

数据通信控制模块与等精度频率测量模块的通信，数据传输采用双线控制并行传输，8根数据传输线(DATA0,…,DATA7)，一根开始传输控制线(READSTART)，控制一组数据传输起始时间；一根字节传输控制线(READCLK)，控制每一字节传输时间。两根控制线(TESTTIME0，TESTTIME1)控制频率测试时间，两根控制线(CH0，CH1)控制通道选择，设计框图如图7所示。

图7 通信设计框图

频率测试时间选择方案见表1，由数据通信控制模块控制两信号线的状态，频率测量模块的EPM1270通过判断两信号线的状态组合决定频率测试闸门时间大小，由此达到控制频率测试时间。控制线(CH0，CH1)的状态决定测试通道，由频率测量模块的EPM1270读取判断，增加控制线即可增加测试通道。

表1 频率测试时间选择方案

数据通信控制模块与计算机控制系统之间的通信采用Modbus通信协议。Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用协议。通过此协议，控制器相互之间可以通信，控制器经由网络(例如以太网)和其他设备之间可以进行通信。它已经成为通用工业标准之一。基于Modbus 协议，可将不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控[13]。本文采用Modbus 协议完成了计算机获取多个通道细胞监测频率数据，计算机控制选择频率测量时间以及频率采样时间等操作。

数据通信控制模块程序流程如图8所示，重点是控制读取频率测量模块的频率测量值并传送数据至计算机处理，程序包含2个中断子程序，其中串口中断优先于定时中断5。定时中断5用于定时读取频率测量模块中的频率数据，串口中断进行频率数据接收和处理，串口接收的所有频率数据最终传送至计算机再深入处理。

图8 数据通信控制模块程序流程

3.2.5 计算机控制系统

计算机控制系统主要用于分析处理液体电谐振频率变化的相关数据，显示液体电谐振频率变化的动态过程，并控制液体电谐振传感系统的相关参数。计算机控制系统操作界面借助Microsoft Visual Studio 2010集成开发平台，使用VB语言编写，具有数据处理、分析、显示和存储等功能。计算机控制系统交互界面如图9所示。人机交互界面简洁明了，操作简单方便。主界面实时动态显示各通道液体监测曲线及当前谐振频率值。根据需要，可对通信串口参数进行设置，对显示通道进行选择，同时可随时点击保存液体监测频率数据。

图9 计算机控制系统操作界面

4 实验验证

4.1 盐水实验

首先进行液体浓度区分验证，选择不同浓度NaCl溶液进行实验。实验材料及仪器：

1) 溶液：不同浓度NaCl溶液(0.9%，2%，4%,…,18%)，10种，每种5 mL；

2) 蒸馏水，若干；

3) 烧杯10个，移液管1只。

10种不同浓度NaCl溶液，分别测量每种浓度溶液电谐振频率，连续测量2次，实验结果如图10所示。随着NaCl溶液浓度的增加，NaCl电谐振频率下降。在NaCl较低浓度时，NaCl电谐振频率下降明显，由此判断液体电谐振传感系统对较低浓度的溶液区分能力较强。

图10 不同浓度NaCl溶液电谐振频率

4.2 导电液体与非导电液体实验

液体可分为导电液体与非导电液体，选择导电液体与非导电液体分别进行测试实验，检验液体电谐振传感系统是否能对导电液体和非导电液体进行检测区分。实验中导电液体选择KCl溶液，非导电液体选择酒精溶液，测试结果如图11及图12所示：随着酒精浓度的增加，其电谐振频率增大；随着KCl溶液浓度的增加，其电谐振频率减小。KCl溶液的浓度在0～0.02 mol/L时其电谐振频率变化明显，浓度在0.02～0.1 mol/L时其电谐振频率趋于零。由此可得：无论是导电液体还是非导电液体，当液体浓度不同或者液体的导电率发生改变时，其溶液的电谐振频率均有所不同或变化，液体电谐振传感系统对导电液体和非导电液体均能进行检测区分。

图11 不同浓度酒精电谐振频率

图12 不同浓度KCl溶液电谐振频率

4.3 细菌实验

为探寻液体电谐振传感系统在生物医学领域中的应用，选择大肠杆菌进行其生长监测实验。细菌培养条件不苛刻，容易存活，所以选择细菌对液体电谐振传感系统做验证评估。大肠杆菌在生长过程中其培养液性质会发生变化，理论上监测曲线谐振也会随培养液性质的变化而变化。

实验材料及仪器：大肠杆菌(液体培养基)；单道可调移液器，1只；系统处于37 ℃恒温条件。

经6 h培养，记录得到图13所示的监测曲线，图中反应了大肠杆菌培养过程中前6 h其电谐振频率呈下降趋势。在这6 h内大肠杆菌的数目不断增加，电谐振频率值随大肠杆菌的数目增加而减小。在360 min左右开始出现上升趋势，这是因为：由于实验条件受限使大肠杆菌培养基蒸发引起的，空载时电谐振频率较大，随着液体蒸发使芯片响应临近空载状态。

图13 大肠杆菌培养监测曲线

4.4 总结分析

由上述试验可分析得出，液体电谐振传感系统具有以下3种特性：① 对同种液体的不同浓度具有较好的区分能力；② 适用于导电液体和非导电液全范围监测；③ 可以实时监测微生物生长变化，并具有多通道、无需标记、高灵敏度和高准确性等特点。

5 结束语

液体电谐振传感系统将液体的电谐振特性用于到检验分析，从一个全新的角度将电子技术与生物技术进行了融合应用，为实时无标记动态生化检测技术提供了新的技术方法。该方法能更加方便、准确、快捷地实现实时检测，使生物医学领域相关研究更为省时、高效，能提高生命科学研究效率，为生物医学领域研究提供更为丰富的信息。液体电谐振传感系统有望成为一种新型的生物传感检测系统，可广泛应用于基础生命科学领域，如医学免疫学检测、临床检验、食品安全等。

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(责任编辑 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

国家自然科学基金资助项目(31271006)

廖静(1991—),女,重庆人,硕士研究生,主要从事生物医学信息检测与处理研究;通讯作者 周奇(1962—),男,重庆人,教授,主要从事医疗工程技术与应用研究，E-mail:.

廖静，周奇，刘勇，等.液体电谐振传感检测系统的技术实现[J].重庆理工大学学报(自然科学)，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