本发明涉及检测领域，尤其涉及一种基于射频无线检测技术的传感器芯片、标志物检测装置及检测方法。
背景技术
在过去若干年，基于超材料的研究进展，人们开展了众多与之相关领域的应用研究。超材料在很多学科领域，如光学、电磁学及微波工程等，都有广泛的应用。半波长谐振器有尺寸小、电特性稳定的特点，超材料传输线的结构设计紧凑，这些性能使人们集成具有特殊性质的微波器件成为可能。在小尺寸微波器件研究领域，超材料传输线的微波元件有重要影响。因此，超材料在微波波段的应用研究成为一个热门研究课题，近年来研究人员发表了许多相关研究成果。
超材料并没有一个完全确定的定义，需考虑不同的情况。周期性和异常电磁特性是将一个结构定义为超材料结构的必要因素。本文中将超材料考虑为周期或准周期结构，通过设计超材料结构，使材料呈现出可控的电磁特性。
超材料结构的单元尺寸晶胞可被称为电磁晶胞(或是电磁带隙electromagneticband-gaps-ebgs)，也可称为有效介质。当其周期大小与波长为一个量级时，将其当作电磁晶胞，通过晶胞间相互作用，频率带隙变大，称其为布拉格色散(braggdispersion)。相反，当晶胞的周期远小于比波长，定义为有效介质，该介质看似与电磁场相同，因此，表现出有效电磁特性。值得注意的是，所有有效介质的有效电磁特性不一定相同，这使得超材料呈现出自然中所不可能具备的特性。
有效介质中的左手介质(left-handedmedia或lhm)，在超材料中用来表征电磁波在介质中传播的介电常数(dielectricpermittivity,ε)和磁导率(magneticpermeability,μ)同时为负数的情况。介电常数和电导率均为负数(doublenegative,dng)的介质出现，使多种新的应用成为可能。
在微波光谱频段，基于谐振结构的射频生物传感研究得到广泛关注。该研究在无线传感平台上实现简单、快速的生物大分子检测。在此之前，大多数传统射频以及光学生物传感技术，通常需要使用特定的标签，如荧光分子，磁性或金属粒子，或其他在抗体接触的表面进行处理来提高信号辨别的标签物质。尽管这些技术可以有效地检测和分析生物分子及其结合过程，但仍存在一些缺点，比如需要复杂的设备，繁琐的样品制备过程，且不能现场核查，材料过度消耗。在微波和太赫兹频段，人们为了应对这些问题，不断提出简单而直接的利用免标签技术进行检测的谐振生物传感器方案。
如图1所示，生物传感器被定义为生物传感元件，基本由三部分组成：检测器3、传感器5和信号控制器7，检测器3通过双分子层4与传感器连接。检测器3工作在灵敏生物元件环境中，如酶、抗体、核酸、细胞受体或微组织等，其中待检测物质包括杂质1和目标物2，目标物2与检测器3可匹配，从而传感器5将测得的信号转化成物理或化学量，以电信号6传递至信号控制器7并输出，通常结果显示的电信号6幅度可正比于某一特定物质的浓度和电特性。
然而，这些方案依然存在明显缺点，如制作过程复杂，制作经费昂贵，消耗时间过长。
技术实现要素：
本发明的目的在于，提供一种传感器芯片、标志物检测装置及检测方法，实现待测溶液中标志物的快速、灵敏和准确检测。
本发明的目的在于，提供一种传感器芯片、标志物检测装置及检测方法，实现待测溶液的介电特性的快速、灵敏和准确检测。
为解决上述技术问题，本发明提供一种传感器芯片，包括：嵌套式开环谐振器和微带传输线，所述嵌套式开环谐振器包括多个开口环的嵌套，所述多个开口环的开口依次间隔排列且排列方向并垂直于开口边，所述嵌套式开环谐振器与所述微带传输线构成lc谐振器。
可选的，对于所述的传感器芯片，所述开口环呈缺少一边的矩形状。
可选的，对于所述的传感器芯片，所述多个开口环中，与所述开口边相对的一边共用，所述开口边两侧的对边部分共用。
可选的，对于所述的传感器芯片，每个所述开口边的宽度为0.05～0.1mm，相邻所述开口边之间的间距为0.05～0.1mm，所述开口边两侧的最长的边长度为1.5～2mm。
可选的，对于所述的传感器芯片，所述传感器芯片的谐振频率为5～20ghz。
本发明还提供一种标志物检测装置，包括如上所述的传感器芯片，溶液固定层及疏水层，所述疏水层设置在所述传感器芯片上隔离所述传感器芯片和所述溶液固定层，所述溶液固定层设置有朝向所述传感器芯片的空腔以容纳待测溶液。
可选的，对于所述的标志物检测装置，所述疏水层的厚度为2.5μm～10μm。
可选的，对于所述的标志物检测装置，所述疏水层的材质包括苯并环丁烯。
可选的，对于所述的标志物检测装置，所述溶液固定层的材质包括聚二甲基硅氧烷。
本发明还提供一种标志物检测方法，采用如上所述的标志物检测装置，该方法包括：
提供待测溶液，设置在所述空腔中，并测得具有所述待测溶液时的谐振特性；以及
将具有所述待测溶液时谐振特性与谐振网络-标志物样本数据库对应，获得所述待测溶液的浓度。
可选的，对于所述的标志物检测方法，所述谐振特性包括阻抗实部带宽，中心频率及谐振峰值。
本发明还提供一种标志物检测方法，采用如上所述的标志物检测装置，该方法包括：
提供待测溶液，设置在所述空腔中，并测得具有所述待测溶液时的谐振特性；以及
与不具有所述待测溶液时所述标志物检测装置的谐振特性作比较，获得所述待测溶液的介电特性。
可选的，对于所述的标志物检测方法，所述谐振特性作比较时包括获得频率偏移量f，表示为：
其中，l＝l0+△l(l0>>△l)，c＝c0+△c(c0>>△c)，
在本发明中的传感器芯片，包括：嵌套式开环谐振器和微带传输线，所述嵌套式开环谐振器包括多个开口环的嵌套，所述多个开口环的开口依次间隔排列且排列方向并垂直于开口边，所述嵌套式开环谐振器与所述微带传输线构成lc谐振器。基于此获得的标志物检测装置及检测方法，具有检测方便、灵敏度高、准确、速度快的优点，其有益效果具体包括：
(1)采用无线射频检测技术，能准确、快速和高灵敏的实现标志物检测。采用rlc网络谐振特性的变化能更加显著反应出施加待测溶液前后的微弱信号，避免常规直流电阻测试时阻抗信号变化被系统本底大阻抗淹没，同时射频信号也具有更强的抗干扰能力。
(2)采用本发明的装置进行检测时，具有便捷、快速检测的优点，和其他常规方法相比，检测过程更加简单、方便，检测速度也非常快，一旦捕获，可以直接测得结果。
(3)本发明的装置精度高，成本低，检测程序少，简单、方便，适合于大样本、大规模推广使用，具有重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明一种生物传感器的示意图；
图2为本发明一实施例中传感器芯片的嵌套式开环谐振器的示意图；
图3-图6为本发明一实施例中标志物检测装置的示意图；
图7为本发明一实施例中标志物检测装置的连接示意图。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的传感器芯片、标志物检测装置及检测方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明提出一种传感器芯片、标志物检测装置及方法，实现待测溶液中标志物的快速、灵敏和准确检测。
请参考图2和图3，所述传感器芯片包括：嵌套式开环谐振器(nestedsplit-ringresonator，nsrr)10和微带传输线30，所述嵌套式开环谐振器10包括多个开口环101的嵌套，所述多个开口环101的开口依次间隔排列且排列方向并垂直于开口边102，所述嵌套式开环谐振器10与所述微带传输线30构成lc谐振器。
如图2可见，所述开口环101呈缺少一边的矩形状。所述多个开口环101中，与所述开口边102相对的一边103共用，所述开口边102两侧的对边部分共用。
在本发明中，相邻开口边102之间形成电容，而开口边相对的一边103则作为电感。
在一个实施例中，每个所述开口边102的宽度w1为0.05～0.1mm，相邻所述开口边102之间的间距w2为0.05～0.1mm，所述开口边102两侧的边最长的长度x1为1.5～2mm。
具有上述规格的所述传感器芯片的谐振频率为5～20ghz。
可以理解的是，所述开口环101的尺寸还可以是其他数值，上述举例并不作为特别限制。
如图3所示，所述传感器芯片可以设置在一个基板20上，所述基板20例如是石英玻璃基板等。
其中，为了获得较佳的lc谐振器，可以使得所述微带传输线30对应所述嵌套式开环谐振器10处为一窄部301，即在设置所述嵌套式开环谐振器10处减小所述微带传输线30的宽度，形成凹陷，将所述嵌套式开环谐振器10设置在所述凹陷中，而所述微带传输线30其他部分则可以相对较宽，两端用以外接信号线。
在一个实施例中，所述嵌套式开环谐振器10和所述微带传输线30之间的间距为0.1mm～1mm，例如0.2mm、0.3mm等。
下面对本发明的标志物检测装置进行说明。如图4-图5所示，包括所述的传感器芯片，溶液固定层50及疏水层40，所述疏水层40设置在所述传感器芯片上隔离所述传感器芯片和所述溶液固定层50，所述溶液固定层50设置有朝向所述传感器芯片的空腔501以容纳待测溶液。
进一步的，所述标志物检测装置可以设置在所述基板20上。
在一个实施例中，所述疏水层40的厚度为2.5μm～10μm。例如，所述疏水层40覆盖传感器芯片的厚度可以在3μm、3.1μm、3.2μm等，而在除此之外的基板20表面的厚度可以在5μm、6μm、7μm、8μm等。
例如，所述疏水层40的材质包括苯并环丁烯(benzocyclobutene，bcb)。可以理解的是，其他具有疏水效果的材料也可以用在本发明中，此处不进行一一列举。
在一个实施例中，所述溶液固定层50的材质包括聚二甲基硅氧烷(polydimethysiloxane，pdms)。同样的，该举例并不作为对本发明的限制，例如，可以选择介电常数在2到3范围内的其他通常情况下不与水发生反应的物质。
在一个实施例中，如图6所示，为了便于与其他部件连接固定，可以在所述基板20上设置多个开孔60。如图6示出为设置在所述微带传输线30两端的两侧。
下面给出本发明的标志物检测装置的一种制备过程：
例如可以通过印刷电路板工艺(printedcircuitboard，pcb)处理，制作在有双面金属薄膜的基板20上。基板20选用0.5～1.0mm厚度的石英玻璃，金属薄膜材料为金、钛等。
先将石英玻璃片进行反复清洗，洗净后对其进行电子束蒸发ti/au种子层。然后，在石英玻璃片表面涂胶光刻，电镀上3～5微米厚度的金属金或钛，之后进行去胶和刻蚀种子层，从而形成所需的传感器芯片。
溶液固定层的制备过程可以是:使用制图软件绘制芯片图形，用高分辩率激光照排机在照相底片上制得光刻掩膜，利用磁控溅射镀膜机在清洗后的传感器芯片镀上铬膜，然后在其表面匀上正性光刻胶，例如型号为rzj-340的光刻胶。通过前烘、曝光、显影后，将玻璃片浸入铬的刻蚀液中进行刻蚀并通过坚膜工艺以提高光刻胶和基底(例如石英玻璃片)的附着力，然后将处理后的传感器芯片浸入含hf和hno3的刻蚀液中进行湿法刻蚀。预聚体(例如sylgard184)及固化剂按质量比10:1均匀混合并去除气泡后，于50～100℃下固化即可得到pdms盖片作为所述溶液固定层。
疏水层的制备，在完成传感器芯片制备后进行。疏水层覆盖了一定区域内除金属结构(即传感器芯片)的基板表面，厚度在2.5μm～10μm之间，包括疏水层覆盖非金属结构部分厚度为5～10μm，例如5μm、6μm、7μm、8μm等，覆盖金属结构的厚度在3μm左右，例如3μm、3.1μm、3.2μm等。可以通过涂覆一层苯并环丁烯(benzocyclobutene，bcb)胶，该材料有疏水功能。接着，对其光刻显影，在温度为200℃～300℃(例如250℃)的环境下固化，得到所述疏水层。
利用上述标志物检测装置进行的标志物检测方法包括：
提供待测溶液，设置在所述空腔中，并测得具有所述待测溶液时的谐振特性；以及
将具有所述待测溶液时谐振特性与谐振网络-标志物样本数据库对应，获得所述待测溶液的浓度。
考虑到不同种类和数量的标志物(例如生物大分子)对谐振网络的谐振特性影响非常灵敏，因此，可以通过优化设计的谐振网络-标志物样本数据库的建立，可以非常灵敏地检测到待测溶液标志物的浓度。采用这种射频无线耦合方式读出分析检测待测溶液标志物信号的方法同时还能避免了直接采用直流阻抗测量时的微弱检测信号易被较大的回路大电阻淹没和干扰的问题。
进行检测时，如图7所示，可以通过夹具70连接所述微带传输线30的两端，并夹持在所述基板20上，同时所述夹具70可以连接至例如矢量网络分析仪(vectornetworkanalyzer，vna)，例如是通过sma接口与矢量网络分析仪的一个端口连接。vna发出激励信号，传感器芯片得到整个谐振网络的谐振特性，并反馈到矢量网络分析仪。这样从矢量网络分析仪上便可以得到谐振网络的谐振特性变化，包括谐振频率、阻抗实部、虚部等的变化，得到阻抗实部带宽，中心频率及谐振峰值等，例如是最后计算出rlc谐振网络的阻抗实部带宽的变化，从而对比得出检测芯片上所捕获的待测溶液的标志物的浓度。
相应的，所述标志物检测装置还可以应用在如下的标志物检测方法中，包括：
提供待测溶液，设置在所述空腔中，并测得具有所述待测溶液时的谐振特性；以及
与不具有所述待测溶液时所述标志物检测装置的谐振特性作比较，获得所述待测溶液的介电特性。
本方法的设备连接可以参考上一方法，此处不进行赘述。
所述谐振特性作比较时包括获得频率偏移量f，表示为：
从测得的放置待测溶液前后传感器谐振额频率的偏移量，推算出该溶液的介电特性，可以为进一步的生物大分子研究提供帮助。
综上所述，本发明中的传感器芯片，包括：嵌套式开环谐振器和微带传输线，所述嵌套式开环谐振器包括多个开口环的嵌套，所述多个开口环的开口依次间隔排列且排列方向并垂直于开口边，所述嵌套式开环谐振器与所述微带传输线构成lc谐振器。基于此获得的标志物检测装置及检测方法，具有检测方便、灵敏度高、准确、速度快的优点，其有益效果具体包括：
(1)采用无线射频检测技术，能准确、快速和高灵敏的实现标志物检测。采用rlc网络谐振特性的变化能更加显著反应出施加待测溶液前后的微弱信号，避免常规直流电阻测试时阻抗信号变化被系统本底大阻抗淹没，同时射频信号也具有更强的抗干扰能力。
(2)采用本发明的装置进行检测时，具有便捷、快速检测的优点，和其他常规方法相比，检测过程更加简单、方便，检测速度也非常快，一旦捕获，可以直接测得结果。
(3)本发明的装置精度高，成本低，检测程序少，简单、方便，适合于大样本、大规模推广使用，具有重要的应用价值。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。