馬　闖，楊曉東，謝　浩，劉成國，吳志鵬*

（1.武漢理工大學(xué)化學(xué)化工與生命科學(xué)學(xué)院，湖北武漢430070）

（2.武漢理工大學(xué)理學(xué)院射頻與微波技術(shù)研究中心，湖北武漢430070）

利用微波傳感器檢測生化溶液濃度

馬闖1，楊曉東2，謝浩1，劉成國2，吳志鵬2*

（1.武漢理工大學(xué)化學(xué)化工與生命科學(xué)學(xué)院，湖北武漢430070）

（2.武漢理工大學(xué)理學(xué)院射頻與微波技術(shù)研究中心，湖北武漢430070）

微波傳感器在檢測生化溶液方面具有準(zhǔn)確性好、靈敏度高、測量速度快以及零接觸等優(yōu)點(diǎn)。研究表明，溶液的濃度與反射系數(shù)有關(guān)，利用反射系數(shù)經(jīng)過一定的換算可以得到溶液的濃度。用微波傳感器對氯化鈉、葡萄糖、蛋白胨這三種典型生化溶液進(jìn)行檢測實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示：在特定頻段，同一生化溶液，傳感器的反射系數(shù)隨著溶液濃度的增大而增大或減小，而不同生化溶液的最佳敏感頻段是不同的。因此，微波傳感器為生化溶液濃度的檢測提供了一種高效可行的方法，有非常好的應(yīng)用前景。

微波傳感器；濃度檢測；反射系數(shù)

0　引言

絕大多數(shù)的生物、化學(xué)科研工作的過程實(shí)際上就是和不同生化試劑打交道，這樣一來試劑溶液的濃度就成為了一個(gè)回避不了的問題。實(shí)際上，實(shí)驗(yàn)的很多時(shí)候都要進(jìn)行試劑溶液濃度的檢測。比如，在實(shí)驗(yàn)前期的準(zhǔn)備階段檢測反應(yīng)物的濃度以確定實(shí)驗(yàn)初始條件，或者在實(shí)驗(yàn)后期的檢驗(yàn)階段檢測生成物的濃度以確定實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否符合預(yù)期，甚至在實(shí)驗(yàn)中期的執(zhí)行階段實(shí)時(shí)監(jiān)測某一成分的濃度以是實(shí)現(xiàn)對整個(gè)實(shí)驗(yàn)的全局掌控。既然這樣，一種高效的、精確的、功能強(qiáng)大的生化試劑檢測手段對于生物、化學(xué)科研工作來說是必不可少的。

另一方面，隨著微波技術(shù)理論的進(jìn)步，以此為基礎(chǔ)的微波傳感器也得到長足的發(fā)展［1］。檢測對象從宏觀到微觀、從天上到地下、從無機(jī)到有機(jī)，幾乎無所不包，微波傳感器在物理電子、化學(xué)化工、生物醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用。其工作原理大致相似，都是把所希望檢測的被測物的非電參量轉(zhuǎn)化為可以被檢測到的電磁學(xué)參量，然后根據(jù)某種對應(yīng)關(guān)系，用后者來表示前者。理論上微波傳感器是可以用來檢測生化試劑溶液的濃度的，因?yàn)槿芤簼舛鹊淖兓厝粫?huì)使傳感器檢測到電磁學(xué)參量發(fā)生相應(yīng)變化［2-3］。微波傳感器和顯微鏡、分光光度計(jì)一樣都是物理學(xué)技術(shù)在生化領(lǐng)域的應(yīng)用。

傳統(tǒng)的檢測生化試劑溶液的方法雖然有很多，但是受各自檢測原理的限制，這些方法或多或少都有一些缺陷。比如它們都傾向于接觸性檢測［4-5］，這樣一來在取樣檢測時(shí)被取出檢測的那部分溶液多半無法回收使用，在檢測珍稀或不方便接觸的溶液濃度時(shí)將造成極大的困難。此外，大多數(shù)傳統(tǒng)的檢測生化試劑溶液的方法的檢測對象范圍都不是很大。使用微波傳感器則可以完美解決這些問題。檢測生化溶液的濃度時(shí)，微波傳感器的操作極為簡便，幾乎是全自動(dòng)的；檢測對象范圍大，幾乎所有可溶的生化試劑都可以用微波傳感器檢測其溶液的濃度。最重要的是無需采樣，被檢測的溶液甚至不需要與傳感器直接接觸［5］，可以回收繼續(xù)用于實(shí)驗(yàn)，甚至可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測溶液濃度的變化。

總之，這是一項(xiàng)將微波技術(shù)和生物、化學(xué)領(lǐng)域相結(jié)合的研究，利用微波傳感器的操作簡便、高靈敏度、非接觸的特點(diǎn)［6］，為生化溶液濃度的檢測提供一種新的解決辦法，同時(shí)在檢測生化溶液濃度過程中實(shí)現(xiàn)其它檢測方法實(shí)現(xiàn)不了或很難實(shí)現(xiàn)的功能。

1　微波傳感器的工作原理

圖1　微波傳感器Fig.1　the microwave sensor

圖2　探針式結(jié)構(gòu)Fig.2　probe structure

圖3　探針長度為零時(shí)的電磁場分布Fig.3　the electromagnetic field distribution of zero length

微波傳感器的工作原理并不復(fù)雜，在微波的傳輸路徑中，遇到介質(zhì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射波［7］。而且，介質(zhì)不同產(chǎn)生的反射波也會(huì)不同，這與介質(zhì)的相對介電常數(shù)有關(guān)。相對介電常數(shù)不能直接測量，但是可以用反射系數(shù)來表征。如果把待測的生化溶液看成一種均勻的介質(zhì)，通過收集微波在其內(nèi)部傳輸時(shí)的反射系數(shù)就能掌握該溶液的相對介電常數(shù)。溶液的濃度會(huì)影響整個(gè)溶液的相對介電常數(shù)，進(jìn)而影響微波的傳輸特性。為此，可以利用微波傳感器，通過測量溶液的反射系數(shù)［8］，然后經(jīng)過相應(yīng)的換算關(guān)系進(jìn)而得到試劑溶液的濃度。

微波傳感器如圖1所示，采用標(biāo)準(zhǔn)的50歐姆同軸線作為傳輸線，其主要特點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡單、損耗低、屏蔽效果好、成本低。同軸線的一端采用開口結(jié)構(gòu)，將同軸線的內(nèi)導(dǎo)體伸出13 mm，構(gòu)成探針式的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。之所以要采用探針式的結(jié)構(gòu)并不是要將探針插入到待測溶液中，而是要充分利用這種結(jié)構(gòu)周圍的電磁場分布狀態(tài)。當(dāng)傳感器的探針長度為零時(shí)，其周圍的電磁場分布如圖3所示，只有在開口的地方有少量分布。這樣的電磁場分布狀態(tài)顯然不利于溶液濃度的檢測，當(dāng)探針長度延長時(shí)，情況則完全不一樣。圖4是探針和同軸線的長度分別為13 mm和100 mm的時(shí)候的電磁場分布圖?？梢钥吹?，電磁場以同軸為軸心呈糖葫蘆狀分布，這個(gè)區(qū)域也是微波主要的傳輸路徑。當(dāng)這個(gè)區(qū)域所填充的介質(zhì)的波阻抗發(fā)生改變時(shí)，微波的傳輸必然受到影響，進(jìn)而影響波端口的反射系數(shù)。

圖4　探針長度為13 mm時(shí)的電磁場分布Fig.4　the electromagnetic field distribution of 13 mm length

這樣一來，只需將待測溶液置于傳感器同軸線的周圍就可以檢測到其反射系數(shù)，而無需與傳感器有直接接觸。這樣不僅可以避免傳感器的探針或其它部位被待測溶液腐蝕，還可以免除傳感器的清洗工作，防止傳感器損壞。之前已經(jīng)提到過，溶液濃度的變化會(huì)引起其相對介電常數(shù)的變化，最后表現(xiàn)在反射系數(shù)的變化上。因此，理論上只要檢測到溶液的反射系數(shù)再經(jīng)過一定的換算就可以得到溶液的濃度。

2　微波傳感器的檢測實(shí)驗(yàn)

要想實(shí)現(xiàn)對溶液濃度的檢測需要有一個(gè)完整的測量系統(tǒng)，包括微波的產(chǎn)生裝置、反射系數(shù)的檢測裝置、待測溶液的輸送裝置以及傳感器本身。其中前兩者的工作可以由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀勝任，待測溶液的輸送裝置則由恒流泵、橡皮管和冷凝管組成，如圖5所示。測量時(shí)，待測溶液經(jīng)由橡皮管被輸送到冷凝管的外管中，然后經(jīng)由另一條被輸送回來，構(gòu)成一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)，整個(gè)過程有恒流泵來提供動(dòng)力和控制流速。由于傳感器位于冷凝管的內(nèi)管中（如圖6所示），再加上傳感器特殊的電磁場分布情況（如圖4所示），所以傳感器不需要接觸從冷凝管外管流過的待測液體就可以實(shí)現(xiàn)檢測的目的。

圖5　傳感器和輸送裝置Fig.5　sensors and conveying device

圖6　在冷凝管的內(nèi)管中的傳感器Fig.6　sensor in the inner tube condenser

雖然根據(jù)原理，傳感器幾乎可以檢測所有可溶性物質(zhì)的溶液，但是在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中不可能對所有溶液一一檢測。因此，只對氯化鈉、葡萄糖和蛋白胨這三種典型物質(zhì)的溶液進(jìn)行了濃度檢測實(shí)驗(yàn)。其中，氯化鈉是最常用、最典型的電解質(zhì)和無機(jī)物，葡萄糖是最常用、最典型的非電解質(zhì)和有機(jī)物、而蛋白胨則是多種可溶性有機(jī)物的混合物，三種物質(zhì)都非常具有代表性，檢測的結(jié)果可以說明多方面的問題。

2.1氯化鈉溶液的檢測

首先，精確配置2 mol/L的氯化鈉溶液作為母液，然后用超純?nèi)ルx子水以0%、10%、20%、30%、40%和50%的比例進(jìn)行稀釋，得到一組濃度梯度為0 mol/L、0.2 mol/L、0.4 mol/L、0.6 mol/L、0.8 mol/L和1.0 mol/L的氯化鈉溶液，將環(huán)境溫度設(shè)置為28℃，最后待溫度平衡后進(jìn)行測量。測量結(jié)果如圖7所示。

圖7中的橫坐標(biāo)范圍為4890到5160 MHz，這是氯化鈉溶液的最佳敏感頻段，從中可以得知，在這段頻率范圍內(nèi)，反射系數(shù)S11值隨著氯化鈉溶液濃度的增大而減小，并且每個(gè)濃度的曲線都呈現(xiàn)明顯的波谷形狀，其中在5022 MHz頻點(diǎn)處的波谷位置的梯度變化最明顯，暫且將波谷位置的頻點(diǎn)定義為“最佳頻點(diǎn)”。考慮到S11值都是負(fù)值使用起來不方便，因此將“最佳頻點(diǎn)”處不同濃度的S11值與0 mol/L的S11值的差值的絕對值定義為|ΔS11|。為了簡化圖表，以氯化鈉溶液濃度為橫坐標(biāo)，以各濃度的|ΔS11|為縱坐標(biāo)，繪制一條通過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線，如圖8所示。從這條直線可以看出，氯化鈉溶液的濃度與其|ΔS11|呈比較明顯的正比例關(guān)系。

圖7　反射系數(shù)S11與氯化鈉濃度關(guān)系Fig.7　the relationship between S11and the concentration of sodium chloride

圖8　f=5022 MHz處|ΔS11|隨濃度變化Fig.8　the trend in|ΔS11|with changing concentration at f=5022 MHz

2.2葡萄糖溶液的檢測

總的來說，葡萄糖溶液的檢測過程與氯化鈉溶液基本相似，配置的這組葡萄糖溶液的濃度梯度為 0 mol/L、0.1 mol/L、0.2 mol/L、0.3 mol/L、0.4 mol/L和0.5 mol/L，環(huán)境溫度依然是28℃。測量結(jié)果如圖9所示。

從圖9中可以得知，葡萄糖溶液的最佳敏感頻段為4000到4350 MHz。與氯化鈉溶液相比，除了最佳敏感頻段不同之外，葡萄糖溶液的數(shù)據(jù)的變化規(guī)律也不一樣。在這段頻率范圍內(nèi)，反射系數(shù)S11值隨著葡萄糖溶液濃度的增大而增大。但是，每個(gè)濃度的曲線依然都呈現(xiàn)明顯的波谷形狀。葡萄糖的“最佳頻點(diǎn)”是4125 MHz，葡萄糖溶液濃度與其|ΔS11|的關(guān)系圖如圖10所示，也是一條通過坐標(biāo)原點(diǎn)直線。從這條直線可以看出，葡萄糖溶液的濃度與其|ΔS11|呈非常明顯的正比例關(guān)系。

圖9　反射系數(shù)S11與葡萄糖濃度關(guān)系Fig.9　the relationship between S11and the concentration of glucose

圖10　f=4125 MHz處|ΔS11|隨濃度變化Fig.10　the trend in|ΔS11|with changing concentration at f=4125 MHz

2.3蛋白胨溶液的檢測

雖然蛋白胨是多種有機(jī)物的混合物，與氯化鈉、葡萄糖等單一成分的物質(zhì)不一樣，但是它們的檢測過程卻基本一樣。配置的這組蛋白胨溶液的濃度梯度為2 g/L、4 g/L、6 g/L、8 g/L、10 g/L，環(huán)境溫度依然是28℃。測量結(jié)果如圖11所示。蛋白胨溶液的最佳敏感頻段為5800到6000 MHz，在這段頻率范圍內(nèi)，反射系數(shù)S11值隨著蛋白胨溶液的增大而減小，蛋白胨的“最佳頻點(diǎn)”是5927MHz，蛋白胨溶液濃度與其|ΔS11|的關(guān)系圖如圖12所示，也近似是一條通過坐標(biāo)原點(diǎn)直線。從這條直線可以看出，蛋白胨溶液的濃度與其|ΔS11|呈相對比較明顯正比例關(guān)系。

圖11　反射系數(shù)S11與蛋白胨濃度關(guān)系Fig.11　the relationship between S11and the concentration of peptone

圖12　f=5927 MHz處|ΔS11|隨濃度變化Fig.12　the trend in|ΔS11|with changing concentration at f=5927 MHz

3　分析與討論

反射系數(shù)S11值實(shí)際上是反射波的振幅與入射波振幅之比再取20倍的常用對數(shù)，考慮到微波在傳輸過程中必然存在損耗，也就是說反射波的振幅肯定小于入射波振幅，所以S11值肯定都是負(fù)數(shù)，而且越小代表損耗的越嚴(yán)重，意味著介質(zhì)的相對介電常數(shù)就越大。需要指出的是，相對介電常數(shù)的大小不僅與介質(zhì)本身的性質(zhì)有關(guān)，還與溫度、微波的頻率有關(guān)，所以在測量前需要先平衡溫度。至于頻率，由于不同溶液的最佳敏感頻段是不同的，所以并不存在所有溶液都能檢測的萬能頻段。同種溶液在自己的最佳敏感頻段內(nèi)，呈現(xiàn)S11值隨著溶液濃度的增大而增大或減小的變化規(guī)律，而在最佳敏感頻段外，變化規(guī)律要么不明顯要么就是混亂的。

眾所周知，氯化鈉在溶液中是以水合鈉離子和水合氯離子的形式存在的，這種帶電的粒子對于水溶液相對介電常數(shù)變化的影響是非常明顯的。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在氯化鈉溶液的最佳敏感頻段內(nèi)，鈉離子和氯離子越多溶液的相對介電常數(shù)就越大。說明，在此頻段內(nèi)微波在傳輸過程中遇到鈉離子和氯離子會(huì)更快的損耗。然而，葡萄糖是非電解質(zhì)，是以分子形式存在于水溶液中的，不帶電荷，顯然與氯化鈉影響相對介電常數(shù)的原理不同。但是，不帶電荷不代表沒有影響，而且根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在葡萄糖溶液的最佳敏感頻段內(nèi)，其濃度大小與反射系數(shù)的變化規(guī)律與氯化鈉溶液正好是相反的。說明，相比于超純?nèi)ルx子水，在此頻段內(nèi)葡萄糖溶液中的葡萄糖分子的存在有利于減少微波在傳輸過程中的損耗。蛋白胨雖然是混合物，但是其溶液仍然可以看成是均勻介質(zhì)。溶質(zhì)中有離子也有分子，最后表現(xiàn)出來的變化規(guī)律是綜合作用之后的結(jié)果?？傊芤簼舛鹊母淖円鸬姆瓷湎禂?shù)的改變是傳感器與溶液之間電磁相互作用的結(jié)果［9］。

需要特別指出的是，三種溶液的最佳敏感頻段是不同的。雖然不能保證每種溶液都有自己獨(dú)有的最佳敏感頻段，不同溶液的最佳敏感頻段仍然可能重疊，但是考慮到不存在所謂的萬能頻段，在檢測某種特定溶液的濃度時(shí)，可根據(jù)其最佳敏感頻段使用窄頻甚至單頻微波。這樣不僅可以減少數(shù)據(jù)處理的工作量，而且還可以使檢測結(jié)果更加準(zhǔn)確。一般來說，最佳敏感頻段中的最適合檢測的頻點(diǎn)非波谷處的頻點(diǎn)莫屬，而且S11值的變化量比S11值本身更方便使用，這也是定義“最佳頻點(diǎn)”和|ΔS11|的原因。雖然氯化鈉、葡萄糖和蛋白胨這三種溶液的濃度都與各自的|ΔS11|呈正比例關(guān)系，但是考慮到每條直線只取了六個(gè)點(diǎn)，其中還有一個(gè)是坐標(biāo)原點(diǎn)，而且選取的濃度范圍也相對有限，所以只能定性地反映溶液濃度與反射系數(shù)之間的變化規(guī)律。理論上，只要在相同的實(shí)驗(yàn)條件下檢測一組濃度梯度足夠小、濃度范圍足夠大、數(shù)目足夠多的同種溶液，就能繪制精確的溶液濃度與|ΔS11|之間的關(guān)系曲線圖。到那時(shí)，只需測得某溶液的S11值，然后根據(jù)曲線圖經(jīng)過一定的換算就能得到該溶液的濃度。

4　結(jié)論

同軸線微波傳感器采用了探針式結(jié)構(gòu)，使其周圍的電磁場分布狀況更有利于對溶液濃度的檢測。利用以該傳感器為基礎(chǔ)的測量系統(tǒng)對氯化鈉、葡萄糖和蛋白胨等幾種典型溶液的濃度進(jìn)行了測量。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以知道：不同溶液的最佳敏感頻段是不同的，而且在同種溶液的最佳敏感頻段內(nèi)，其反射系數(shù)S11隨著溶液濃度的增大而增大或減小。此外，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還能繪制反映溶液濃度與反射系數(shù)變化量|ΔS11|之間變化規(guī)律的關(guān)系曲線圖?？偠灾?，利用微波傳感器檢測生化溶液濃度是一種可行性高、高效精確的檢測方法。

5　前景與展望

用于檢測生化溶液濃度的微波傳感器面世之后，其應(yīng)用范圍將會(huì)非常廣泛。首先，微波傳感器可以用來校準(zhǔn)溶液濃度。眾所周知，溶液放置一段時(shí)間后會(huì)因?yàn)槿軇]發(fā)等原因?qū)е缕湔鎸?shí)的濃度與理論的計(jì)算值之間存在偏差。為了保證實(shí)驗(yàn)的精確性，有必要在使用這些溶液之前校準(zhǔn)這些溶液的濃度。考慮到需要校準(zhǔn)的溶液種類繁多，微波傳感器檢測對象范圍大的優(yōu)勢將顯露無遺。其次，微波傳感器可以用來檢測珍稀溶液濃度。有些實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)物很寶貴或者生成的量極少，容不得半點(diǎn)浪費(fèi)，此時(shí)采用一種無需采樣的檢測方法便顯得十分重要。微波傳感器可以使用非接觸式的方法檢測生化試劑的濃度，不僅可以回收檢測樣品還可以避免污染。這種檢測方法不僅在科研工作中，而且在工業(yè)生產(chǎn)中也有非常重要的意義。最后，微波傳感器還可以用來連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測溶液濃度的變化。在連續(xù)發(fā)酵反應(yīng)中，往往需要保證培養(yǎng)基濃度的相對恒定。這時(shí)只要連續(xù)監(jiān)測培養(yǎng)基濃度的變化情況，然后根據(jù)這些變化情況調(diào)整投放料速率等外部控制條件就能維持平衡。這種連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測功能是人為掌控生物、化學(xué)反應(yīng)過程的基礎(chǔ)?？傊?，微波傳感器由于具有功能強(qiáng)大、優(yōu)勢明顯的特點(diǎn)，將會(huì)擁有非常廣泛的應(yīng)用。

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Using microwave sensors to detect the concentration of biochemical solutions

Ma Chuang1，Yang Xiao-dong2，Xie Hao1，Liu Cheng-guo2，Wu Zhi-peng2*
（1.College of Chemistry，Chemical Engineering and Life Sciences，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）（2.RF&Microwave Technology Research Center，College of Science，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）

The microwave sensor has many advantages in terms of detecting the concentration of biochemical solutions，such as accuracy，high sensitivity，fast measurement speed and zero-touch.Studies have shown that the solution concentration and reflection coefficient，and we can get the concentration of solution after a certain elapsed based on the reflection coefficient.We use microwave sensors to detect three typical biochemical solution which are sodium chloride，glucose and peptone.The results show that the reflection coefficient of same biochemical solution increases as the concentration increases or decreases，and the best-sensitive frequency bands of different biochemical solutions are different.Therefore，the microwave sensor provides an efficient and feasible way to detect the concentrations of biochemical solution，and it has a very good prospect.

microwave sensor；concentration detection；reflection coefficient

*通信聯(lián)系人，E-mail:z.p.wu@whut.edu.cn