血糖水平（BGL）的監(jiān)測(cè)，對(duì)于預(yù)防失明、腎衰竭、心腦血管疾病等并發(fā)癥至關(guān)重要。目前，光學(xué)、電化學(xué)、微波等多種技術(shù)被廣泛用于血糖水平實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為了滿足日常監(jiān)測(cè)要求，需要一種高精度、穩(wěn)定、低成本、無(wú)創(chuàng)的血糖檢測(cè)技術(shù)。由于微波技術(shù)具有設(shè)計(jì)制造簡(jiǎn)單、成本低、靈敏度高、檢測(cè)速度快等優(yōu)點(diǎn)，被越來(lái)越多地用于生物醫(yī)學(xué)研究，包括血糖水平的檢測(cè)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，青島大學(xué)李元岳副教授、姚釗副教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合韓國(guó)世宗大學(xué)、光云大學(xué)研究人員共同提出一種基于仿生材料的微流控微波生物傳感器，其由微流控器件和微波生物傳感器集成制備，成本低廉、制造簡(jiǎn)單，靈敏度可達(dá)0.25 MHz/（mg/dL），檢測(cè)限低至7.7 mg/dL，可快速響應(yīng)（約150 ms），能夠用于葡萄糖濃度檢測(cè)，有望成為監(jiān)測(cè)早期糖尿病患者血糖水平的理想選擇。相關(guān)研究成果已發(fā)表于Scientific Reports期刊。

微流控微波生物傳感器的制造過(guò)程圖示

該微波生物傳感器由一個(gè)具有缺陷接地結(jié)構(gòu)（DGS）的三環(huán)微帶貼片天線組成。缺陷接地結(jié)構(gòu)會(huì)影響接地層中的電流分布，從而增加傳輸線的電容和電感。為了減小測(cè)量誤差，提高器件性能參數(shù)與溶液濃度之間的相關(guān)性，研究人員將微流控器件與微波生物傳感器集成在一起，制備了微流控微波生物傳感器，以改善器件性能。

（a）實(shí)驗(yàn)的測(cè)量設(shè)置；（b）裸微波生物傳感器的SEM圖像；（c）添加樣品進(jìn)行測(cè)量后的SEM圖像；（d）葡萄糖生物傳感器的原理圖；（e）微流控微波生物傳感器的光學(xué)圖像（前視圖和后視圖）

由于不同濃度的葡萄糖溶液具有不同的介電特性，會(huì)導(dǎo)致傳感器的諧振頻率和反射系數(shù)（S??）發(fā)生變化。研究人員用兩種傳感器檢測(cè)了50-500 mg/dL濃度范圍的葡萄糖溶液。結(jié)果表明，兩種傳感器的諧振頻率都隨溶液濃度增加呈線性增加，裸微波生物傳感器諧振頻率相關(guān)系數(shù)（R2）為0.995，反射系數(shù)為0.838，誤差略大。微流控微波生物傳感器諧振頻率相關(guān)系數(shù)為0.996，反射系數(shù)為0.984，誤差相對(duì)減小。

隨后，對(duì)兩種傳感器的穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，兩種傳感器在一定時(shí)間內(nèi)都表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。與裸微波生物傳感器相比，集成了微流控器件的微波生物傳感器具有更快的響應(yīng)時(shí)間（158 ms），以及相對(duì)較低的檢測(cè)限和較高的靈敏度。

裸微波生物傳感器（左圖）和微流控微波生物傳感器（右圖）的諧振頻率、反射系數(shù)測(cè)試結(jié)果

（a）裸微波生物傳感器和（b）微流控微波生物傳感器的測(cè)試結(jié)果（圖片顯示不同溶液濃度的響應(yīng)時(shí)間）

最后，研究人員分析了微流控微波生物傳感器的局限性和發(fā)展前景，并指出，可以針對(duì)器件小型化和靈敏度提升進(jìn)行優(yōu)化。該傳感器目前尺寸為25mm × 25mm，與以往研究相比有所減小，但為了獲得更緊湊、便攜的集成系統(tǒng)，需要進(jìn)一步減小器件尺寸。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以使用集成無(wú)源器件（IPD）技術(shù)在砷化鎵（GaAs）襯底上設(shè)計(jì)制造空氣橋結(jié)構(gòu)電容器，以實(shí)現(xiàn)器件的高靈敏度和小型化。

提高生物傳感器的靈敏度是一項(xiàng)系統(tǒng)性工作。首先，需要考慮傳感器的敏感區(qū)域，利用仿真軟件確定電流強(qiáng)度以及敏感區(qū)域特性。其次，可以考慮缺陷接地結(jié)構(gòu)，或者通過(guò)添加有源反饋電路來(lái)提高靈敏度。此外，可以考慮使用抗原——抗體進(jìn)行特異性識(shí)別，從而更好地識(shí)別檢測(cè)目標(biāo)。通過(guò)結(jié)合上述方法，可以更好地提高器件靈敏度。未來(lái)的研究方向?qū)⒁约蓽y(cè)試系統(tǒng)為基礎(chǔ)，例如，通過(guò)使用FPGA或單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的集成，使器件更加緊湊、便攜。




審核編輯：劉清