本發(fā)明涉及微波生物醫(yī)學(xué)傳感器
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體地說是一種基于表面等離子體激元且具有參考特性的可用于皮膚惡性黑色素瘤、皮膚含水量檢測的新型的微波生物傳感器。
背景技術(shù)：
：傳感器起源于仿生研究。所有的生物都有感知周圍環(huán)境或自身狀態(tài)的器官或組織。生物醫(yī)學(xué)傳感器是指使用物理化學(xué)探測器來檢測包含生物成分的分析物的設(shè)備。生物傳感器發(fā)展至今主要包含酶傳感器、組織傳感器、微生物傳感器、免疫傳感器、細胞傳感器及dna傳感器等。這類傳感器都具有操作簡單、迅速、準確、響應(yīng)時間短以及靈敏度高等特點。目前生物傳感器多利用被測定分子與固定在生物接收器上的敏感材料發(fā)生特異性結(jié)合，并發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生熱焓變化、離子強度變化、顏色、質(zhì)量以及ph值等變化等信號與被測分子存在的一定的數(shù)學(xué)關(guān)系來獲得生物信息。生物傳感器是一個多學(xué)科交叉的高
技術(shù)領(lǐng)域：
，微電子技術(shù)、微制造技術(shù)等為生物傳感器打下了堅實的基礎(chǔ)。隨著生物科學(xué)、電子信息科學(xué)以及材料科學(xué)的發(fā)展，人們對生物傳感器的靈敏度、成本以及操作繁易程度等提出了更高地要求。傳統(tǒng)生物傳感器主要包括生物分子的特異性識別、信號放大以及信號轉(zhuǎn)換與處理。近年來，這些傳統(tǒng)的思維逐漸被打破，一些新型的、高靈敏度的生物傳感器漸漸出現(xiàn)在人們面前。特別地，隨著納米生物傳感器以及表面等離子體激元等結(jié)構(gòu)和概念的提出，國內(nèi)外在生物傳感器的研制方面取得了很大進展。納米生物傳感器是一種分析生物、生物衍生物或者仿生成分物質(zhì)的設(shè)備。表面等離子體激元是金屬表面區(qū)域內(nèi)自由電子與光子相互作用形成的一種電磁表面波，在表面位置處的場強最大，垂直于界面方向上是指數(shù)衰減場。這種效應(yīng)發(fā)生在真空和材料的接觸面上，產(chǎn)生正介電常數(shù)或者負介電常數(shù)。利用表面等離子體激元概念可以設(shè)計出結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、響應(yīng)速度快的生物傳感器。基于表面等離子體激元且具有參考特性的新型生物傳感器是一種可用于皮膚惡性黑色素瘤、皮膚含水量檢測的一種新型設(shè)備。檢測過程中無需標記，對樣品可實時監(jiān)控且傳感芯片可重復(fù)利用。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明針對
背景技術(shù)：
的不足提出一種具有參考特性的折疊微帶線微波生物傳感器，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的需要標記、破壞試樣、需要耗費較長的時間且不能重復(fù)利用等問題。本發(fā)明具體采用如下技術(shù)方案為一種具有參考特性的折疊微帶線微波生物傳感器，該傳感器包括：介質(zhì)基板和位于介質(zhì)基板上的微帶線，所述微帶線包括輸入端、由輸入端分支出的檢測支路和參考支路，所述檢測支路和參考支路結(jié)構(gòu)相同且對稱，檢測支路和參考支路都包括：漸變阻抗匹配單元、周期性折疊微帶線、輸出端。進一步的，所述截止基板的材質(zhì)為rogers5880，厚度為0.20mm；微帶線厚度為0.10mm，寬度為0.53mm；周期性折疊微帶線的折疊周期寬度為3.00mm，折疊高度為5.00mm，周期個數(shù)為4(即周期性折疊微帶線總寬度12mm)。在這里漸變阻抗匹配單元和周期性折疊微帶線在本發(fā)明中所起到的作用分別是：阻抗匹配是為了減小傳感器的插損，使得微波可以有效地在微帶線上傳輸；周期性折疊微帶線不經(jīng)具有使微波聚集形成表面等離子體激元的功能，而且還增加待測組織與傳感器的接觸面積使得表面等離子體激元可以更好的與人體皮膚組織相互作用。在檢測過程中將檢測支路中的周期性折疊微帶線放置于待檢測皮膚上，參考支路的周期性折疊微帶線放置于正常皮膚上，通過分析兩處周期性折疊微帶線的電場分布情況判斷出待檢測皮膚的情況。本發(fā)明公開的一種具有參考特性的折疊微帶線微波生物傳感器；該傳感器利用微波在金屬導(dǎo)體上產(chǎn)生的表面等離子體激元與人體皮膚組織的相互作用來檢測區(qū)分正常皮膚與癌變組織或者不同性質(zhì)皮膚的含水量。同時，該傳感器采用折疊微帶線結(jié)構(gòu)且使檢測結(jié)果具有可參考的特性。該微波生物傳感器采用微波頻段為5-13ghz，具有反射較小，插損平坦，相位均勻等特點，適合區(qū)分皮膚水分含量和惡性黑色素瘤。附圖說明圖1具有參考特性的折疊微帶線微波生物傳感器結(jié)構(gòu)圖；圖2具有參考特性的折疊微帶線微波生物傳感器電場分布圖；圖3相同條件下，正常皮膚和帶有癌癥模型的皮膚所產(chǎn)生的電場分布圖；圖4折疊微帶線結(jié)構(gòu)電場分布圖；圖5距離生物傳感器表面不同距離下，帶有癌癥模型的皮膚所產(chǎn)生的損耗曲線；圖6正常皮膚和帶有癌癥模型的皮膚在具有參考特性的折疊微帶線微波生物傳感器下的s21曲線分布圖；圖7具有參考特性的折疊微帶線微波生物傳感器在待測皮膚組織位于不同位置處的分辨率分布圖。圖中：1.周期性折疊微帶結(jié)構(gòu),2.漸變阻抗匹配單元,3.輸入,4.輸出,5.介質(zhì)基板,6.皮膚組織模型,7.癌變組織模型。具體實施方式人體皮膚的復(fù)介電常數(shù)可由德拜弛豫方程給出：其中，εs、ε∞分別為靜態(tài)介電常數(shù)與光頻介電常數(shù)，ap為極振幅，τp為介電弛豫時間，σ為離子電導(dǎo)率，ε0為真空介電常數(shù)，ω＝2πf代表角頻率。特別地，表一給出了滿足德拜方程的不同含水量的角質(zhì)層、真皮層以及皮膚癌細胞的皮膚組織參數(shù)。表一滿足德拜方程的不同含水量皮膚組織參數(shù)皮膚組織ε∞εsapτp(ps)σ(s/m)角質(zhì)層(0.2)3.244.961.0742.140.07真皮層(0.65)536.550.9466.072.60真皮層(0.7)5.1237.601.0746.202.68皮膚癌細胞(0.816)5.4556.790.9086.352.94表面等離子體激元波的傳播常數(shù)ksp可由公式(2)可得出式中，εm和εr分別為金屬和介質(zhì)的介電常數(shù)；k0為自由空間的波數(shù)。由公式(1)可知，界面兩側(cè)介質(zhì)的介電性能對電磁波場分布有很大的影響，利用這一點可以設(shè)計出結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、響應(yīng)速度快的生物傳感器，檢測過程中無需標記，對樣品可實時監(jiān)控且傳感芯片可重復(fù)利用。具體的，如圖1所示，兩路折疊微帶線結(jié)構(gòu)(1)上覆蓋人體皮膚模型(6)，其中一個折疊微帶線結(jié)構(gòu)上含有皮膚癌組織(7)，另外一個為正常皮膚組織并用作對比。電磁波由(3)輸入，在沿微帶線傳播的過程中并均勻分為兩路。在周期性折疊微帶線處，表面等離子體激元與皮膚模型相互作用。最后電磁波分別從(4)兩個端口輸出。圖3、圖4為該過程中的電場圖的俯視圖與左視圖，可以看出電磁波主要集中于微帶線周圍，在金屬帶表面電場最強，然后逐漸衰減。在表面等離子體激元與人體皮膚組織相互作用的過程中，由于人體皮膚組織含有較多的水分，會吸收電磁波的能量，從而改變電磁波的傳輸及反射性能。圖5所示為電磁波具微帶線表面不同距離時，皮膚癌組織對電磁波的吸收狀況。容易發(fā)現(xiàn)，距離微帶線表面越近，電磁波損耗的能量越多。皮膚或皮膚癌組織會對表面等離子體激元吸收，而且不同含水量的皮膚組織以及皮膚與皮膚癌組織對電磁波的吸收是有差異的。我們發(fā)現(xiàn)，這種差異具有很高的靈敏度，如圖7所示。我們通過傳輸系數(shù)來判斷這兩種差異，通過對比兩種不同含水量組織的s21參數(shù)，如圖6所示，不同含水量組織或癌細胞的傳輸系數(shù)具有明顯的差異，證明方案可行。當前第1頁12