基于谐振结构的毫米波生物传感器技术研究.pdfVIP

摘要

随着生物医学技术的不断发展，低成本、便携、微创的生物传感器成为当前的研究热点，

毫米波生物传感器由于其无标记、非侵入性、小型化的优点备受关注。基于谐振结构的毫米

波生物传感器具有高灵敏度、结构简单的特点，在生物液体检测方面具有潜力。因此，本文

针对基于谐振结构的毫米波生物传感器的设计及应用展开研究，主要的研究工作与贡献如下：

1、提出了一种基于接地孔加载耦合线首尾耦合结构的生物传感器，该传感器采用覆金陶

瓷基板工艺和微流控PDMS工艺制作，工作频率分别为21~26GHz、32~38GHz，经过实际

测试，通入HepG2细胞悬浮液后，最大频率偏移量分别为200MHz和330MHz，实现了小

体积的HepG2细胞悬浮液检测。

2、以区分不同液体为设计目标，基于平行耦合线理论，提出了一种基于环形裂缝耦合结

构的生物传感器，仿真结果中传输零点的频率偏移表明该生物传感器可有效地检测纯净水、

血液和乙二醇；在此基础上设计了一款基于接地孔加载环形裂缝耦合结构的毫米波生物传感

器，通过环形裂缝耦合结构中引入接地孔提升了检测灵敏度，经过仿真分析，该生物传感器

检测标志点数量增加，频偏量加大，能够实现小体积的纯净水、血液和乙二醇检测。

3、以区分不同细胞为设计目标，设计了五阶电感膜片波导结构与改进型电感膜片波导结

构，并提出了基于软管和玻璃针加载电感膜片波导结构的实验方案，在45~50GHz频率范围

内，可有效检测纯净水、培养液、牛奶、可乐、乙醇和丙酮；有效地区分THP-1人单核细胞

白血病细胞和Caco-2人结直肠腺癌细胞；同时，可区分人非小细胞肺癌细胞A549和人肝癌

细胞HepG2两种肿瘤细胞，验证了基于软管和玻璃针加载电感膜片波导结构的实验方案的可

行性。

关键词：毫米波，生物传感器，谐振结构，液体检测，细胞检测

ABSTRACT

Withthecontinuousdevelopmentofbiomedicaltechnology,low-cost,portableandminimally

invasivebiosensorshavebecomeacurrentresearchhotspot,andmillimeter-wavebiosensorshave

attractedmuchattentionduetotheirlabel-free,non-invasiveandminiaturizedadvantages.

Millimeter-wavebiosensorsbasedonresonantstructurehavehighsensitivityandsimplestructure,

andhavepotentialinbiofluiddetection.Therefore,thisthesisfocusesonthedesignandapplication

ofmillimeter-wavebiosensorsbasedonresonantstructures,andthemainworkandcontributions

areasfollows:

1.Abiosensorbasedoncouplinglinewithvia-holefirst-tailcouplingstructureisproposed,

andtwobiosensorswithdetectionfrequenciesof21~26GHzand32~38GHzarefabricatedbased

ongold-cladceramicsubstrateprocessandmicrofluidicPDMSprocess,andafterpracticaltests,the

maximumfrequencyshiftsare200MHzand330MHzrespectivelyafterpassingintoHepG2cell

suspensions,thesmallvolumedetectionofHepG