[发明专利]液体谐振传感方法及系统

说明书

技术领域

本发明属于传感技术、生化及物理技术领域，具体涉及一种液体谐振传感方法及系统。

背景技术

谐振是一种广泛存在的现象，在机械、化学、光、电和磁系统及其之间相互能量转换过程的系统中均可以观察到谐振现象。迄今，人们建立了气态和固态物质的谐振理论，并广泛应用。为了认识液体的性质，当前人们采用密度、浓度、pH值、粘弹性、电导率和介电常数等参数从不同角度对液体进行表征，而对于液体中的非平衡过程则常用布朗运动和涨落等进行描述。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”——粘弹性、密度、介电常数、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，液体分子振荡会随外加交变电压的作用而变化。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，比其它频率下的振幅大得多，这种现象我们称为“液体谐振”，它与LC回路的谐振现象有相似之处。液体的“内在性质”不变时，那么它的振荡频率是一定的。如果液体任一性质发生变化，则这时的液体已经不是“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。液体的振荡频率的变化后，可用特定设计的电极，通过设计相应的检测系统可以进行谐振频率测量。由此，在一个封闭的环境下，当液体其它参数(如介电常数、电导率、密度、pH值等)固定，只让某一个参数变化，则采用结构特征参数确定的特定电极，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，从而可用谐振频率来表征液体“内在性质”的改变。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，引起自身频率较大变化，比其作用于压电晶体而引起压电晶体频率变化要大得多。因此，从理论上来说，用液体谐振频率来表征液体性质变化具有更高的灵敏度。由此，本发明提出一种基于液体谐振机理的传感方法及系统。

发明内容

本发明的目的在于针对医学临床检测的需求，提供一种新型的液体谐振传感方法与系统。液体谐振传感方法基于液体谐振特性而建立，利用液体谐振频率来表征液体“内在性质”的变化，即液体粘弹性、密度、介电常数、成分及浓度等参数的变化。液体谐振传感系统由谐振传感器、信号激励振荡模块、信号采集及处理模块及计算机构成。系统利用谐振传感器201作为敏感单元，激励振荡器102给谐振传感器施加特定的激励振荡信号，激励信号与液体固有频率产生谐振，拾振器103获取谐振信号，其相应硬件电路获取谐振信号的频率和幅度特征，将频率信号直接传送给单片机104，单片机104在标准秒信号控制下，在所编写的程序控制下，利用计时器/计数器即可获得频率信号的频率值(Hz)；另一方面，对于信号幅度特征，通过信号调理转换成电压信号，通过A/D转换器转换成数字信号输入到单片机104。单片机104的处理结果送液晶显示器实时显示，并保存相应结果到存储单元，也可通过无线接口传送至计算机105供进一步处理分析、显示、存储和远程共享等。激励振荡器102发送的激励振荡信号可根据拾振器及单片机结果进行调整。

本发明的技术方案如下：

液体谐振传感器是在一绝缘基地上制作一叉指型电极(阵列)201，电极表面镀金膜，该金膜的厚度约为50-200nm。叉指电极对的单电极可等效为二阶串联谐振系统，其等效电路模型为包含一个电阻R、电感L和电容C的电路，那么传感器固有频率为ω₀＝1/(LC)^1/2。液体粘弹性、密度、介电特性等物理特性或液体成分及其浓度等发生变化，使得液体的电特性产生相应变化，最终综合表现为液体固有频率的变化。则当激励信号频率ω＝ω₀时，液体产生谐振现象，其谐振频率及幅度等参数通过外电路进行检测。为了提高传感器对特定生化成分或生物分子的选择性和灵敏度，可在金膜上再固化一层对化学成分或生物分子具有高度特异性结合的敏感层。