血糖水平（BGL）的監(jiān)測，對于預防失明、腎衰竭、心腦血管疾病等并發(fā)癥至關重要。目前，光學、電化學、微波等多種技術被廣泛用于血糖水平實時監(jiān)測。為了滿足日常監(jiān)測要求，需要一種高精度、穩(wěn)定、低成本、無創(chuàng)的血糖檢測技術。由于微波技術具有設計制造簡單、成本低、靈敏度高、檢測速度快等優(yōu)點，被越來越多地用于生物醫(yī)學研究，包括血糖水平的檢測。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，青島大學李元岳副教授、姚釗副教授團隊聯(lián)合韓國世宗大學、光云大學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、制造簡單，靈敏度可達0.25 MHz/（mg/dL），檢測限低至7.7 mg/dL，可快速響應（約150 ms），能夠用于葡萄糖濃度檢測，有望成為監(jiān)測早期糖尿病患者血糖水平的理想選擇。相關研究成果已發(fā)表于Scientific Reports期刊。
微流控微波生物傳感器的制造過程圖示
該微波生物傳感器由一個具有缺陷接地結構（DGS）的三環(huán)微帶貼片天線組成。缺陷接地結構會影響接地層中的電流分布，從而增加傳輸線的電容和電感。為了減小測量誤差，提高器件性能參數(shù)與溶液濃度之間的相關性，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）實驗的測量設置；（b）裸微波生物傳感器的SEM圖像；（c）添加樣品進行測量后的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，會導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了50-500 mg/dL濃度范圍的葡萄糖溶液。結果表明，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系數(shù)為0.996，反射系數(shù)為0.984，誤差相對減小。
隨后，對兩種傳感器的穩(wěn)定性進行了測試。結果表明，兩種傳感器在一定時間內(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時間（158 ms），以及相對較低的檢測限和較高的靈敏度。
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)測試結果
（a）裸微波生物傳感器和（b）微流控微波生物傳感器的測試結果（圖片顯示不同溶液濃度的響應時間）
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，可以針對器件小型化和靈敏度提升進行優(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)，需要進一步減小器件尺寸。為了解決這個問題，可以使用集成無源器件（IPD）技術在砷化鎵（GaAs）襯底上設計制造空氣橋結構電容器，以實現(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度以及敏感區(qū)域特性。其次，可以考慮缺陷接地結構，或者通過添加有源反饋電路來提高靈敏度。此外，可以考慮使用抗原——抗體進行特異性識別，從而更好地識別檢測目標。通過結合上述方法，可以更好地提高器件靈敏度。未來的研究方向將以集成測試系統(tǒng)為基礎，例如，通過使用FPGA或單片機來實現(xiàn)測試系統(tǒng)的集成，使器件更加緊湊、便攜。
審核編輯：劉清