血糖水平（BGL）的监测，对于预防失明、肾衰竭、心脑血管疾病等并发症至关重要。目前，光学、电化学、微波等多种技术被广泛用于血糖水平实时监测。为了满足日常监测要求，需要一种高精度、稳定、低成本、无创的血糖检测技术。由于微波技术具有设计制造简单、成本低、灵敏度高、检测速度快等优点，被越来越多地用于生物医学研究，包括血糖水平的检测。
据麦姆斯咨询报道，近日，青岛大学李元岳副教授团队联合韩国世宗大学、光云大学研究人员共同提出一种基于仿生材料的微流控微波生物传感器，其由微流控器件和微波生物传感器集成制备，成本低廉、制造简单，灵敏度可达0.25 MHz/（mg/dL），检测限低至7.7 mg/dL，可快速响应（约150 ms），能够用于葡萄糖浓度检测，有望成为监测早期糖尿病患者血糖水平的理想选择。相关研究成果已发表于Scientific Reports期刊。
微流控微波生物传感器的制造过程图示
该微波生物传感器由一个具有缺陷接地结构（DGS）的三环微带贴片天线组成。缺陷接地结构会影响接地层中的电流分布，从而增加传输线的电容和电感。为了减小测量误差，提高器件性能参数与溶液浓度之间的相关性，研究人员将微流控器件与微波生物传感器集成在一起，制备了微流控微波生物传感器，以改善器件性能。
（a）实验的测量设置；（b）裸微波生物传感器的SEM图像；（c）添加样品进行测量后的SEM图像；（d）葡萄糖生物传感器的原理图；（e）微流控微波生物传感器的光学图像（前视图和后视图）
由于不同浓度的葡萄糖溶液具有不同的介电特性，会导致传感器的谐振频率和反射系数（S₁₁）发生变化。研究人员用两种传感器检测了50-500 mg/dL浓度范围的葡萄糖溶液。结果表明，两种传感器的谐振频率都随溶液浓度增加呈线性增加，裸微波生物传感器谐振频率相关系数（R²）为0.995，反射系数为0.838，误差略大。微流控微波生物传感器谐振频率相关系数为0.996，反射系数为0.984，误差相对减小。
随后，对两种传感器的稳定性进行了测试。结果表明，两种传感器在一定时间内都表现出良好的稳定性。与裸微波生物传感器相比，集成了微流控器件的微波生物传感器具有更快的响应时间（158 ms），以及相对较低的检测限和较高的灵敏度。
裸微波生物传感器（左图）和微流控微波生物传感器（右图）的谐振频率、反射系数测试结果
（a）裸微波生物传感器和（b）微流控微波生物传感器的测试结果（图片显示不同溶液浓度的响应时间）
最后，研究人员分析了微流控微波生物传感器的局限性和发展前景，并指出，可以针对器件小型化和灵敏度提升进行优化。该传感器目前尺寸为25mm × 25mm，与以往研究相比有所减小，但为了获得更紧凑、便携的集成系统，需要进一步减小器件尺寸。为了解决这个问题，可以使用集成无源器件（IPD）技术在砷化镓（GaAs）衬底上设计制造空气桥结构电容器，以实现器件的高灵敏度和小型化。
提高生物传感器的灵敏度是一项系统性工作。首先，需要考虑传感器的敏感区域，利用仿真软件确定电流强度以及敏感区域特性。其次，可以考虑缺陷接地结构，或者通过添加有源反馈电路来提高灵敏度。此外，可以考虑使用抗原——抗体进行特异性识别，从而更好地识别检测目标。通过结合上述方法，可以更好地提高器件灵敏度。未来的研究方向将以集成测试系统为基础，例如，通过使用FPGA或单片机来实现测试系统的集成，使器件更加紧凑、便携。
该项研究获得国家自然科学基金、山东省自然科学基金、山东省重点研发计划项目支持，以及青岛大学2022年研究基金支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41598-022-20285-6
延伸阅读：
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