專利名稱：一種電阻抗式細(xì)菌快速檢測(cè)傳感器的數(shù)據(jù)分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電阻抗式細(xì)菌快速檢測(cè)傳感器的數(shù)據(jù)分析方法。所述的方法可用于微生物的快速檢測(cè)中。
背景技術(shù)：
快速探測(cè)活菌是一個(gè)難題。通常所采用的方法是在裝有瓊脂的細(xì)菌培養(yǎng)皿中完成。細(xì)菌數(shù)量一般每20-40分鐘翻一倍，所以要達(dá)到探測(cè)所需的菌落的細(xì)菌數(shù)量需要較長(zhǎng)的時(shí)間。這種依靠培養(yǎng)基進(jìn)行培養(yǎng)、分離及生化鑒定的傳統(tǒng)方法，既費(fèi)時(shí)費(fèi)力，又繁雜。為了能快速、方便、正確地檢驗(yàn)食品微生物，近幾年來(lái)，許多國(guó)家對(duì)此進(jìn)行了研究，并取得了進(jìn)
展。微生物阻抗檢測(cè)法是通過(guò)測(cè)定微生物生長(zhǎng)繁殖導(dǎo)致的電阻抗變化來(lái)對(duì)微生物進(jìn)行定性定量分析的一種快速檢測(cè)方法。該方法所需時(shí)間短，能夠?qū)⒓?xì)菌生長(zhǎng)的時(shí)間縮短至2-3個(gè)小時(shí)，并且檢測(cè)精確度高。隨著自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，更使其在微生物檢測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。目前，電阻抗法應(yīng)用于微生物的檢測(cè)已有很多的報(bào)道，且已有應(yīng)用相關(guān)原理進(jìn)行檢測(cè)的產(chǎn)品，但是主要是運(yùn)用電極測(cè)得的電阻值、電抗值或電容值進(jìn)行樣品中細(xì)菌數(shù)量的表征。通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研及實(shí)驗(yàn)積累發(fā)現(xiàn)這些測(cè)量參數(shù)對(duì)于測(cè)試電極的設(shè)計(jì)要求和測(cè)量環(huán)境要求較高，且其變化幅度較小。本發(fā)明試圖基于電阻抗法，設(shè)計(jì)叉指式電極，此電極在測(cè)量系統(tǒng)中的等效模型為電阻與電容的串聯(lián)。將電極測(cè)量得到的阻抗和相位進(jìn)行分析處理，獲得Nyquist曲線，建立Nyquist曲線斜率與細(xì)菌數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)曲線，最終用Nyquist曲線的斜率來(lái)有效的表征樣品中的細(xì)菌數(shù)量。與其他電阻抗法檢測(cè)微生物的技術(shù)相比，本發(fā)明具有電極設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，由細(xì)菌生長(zhǎng)引起的參數(shù)變化量大、檢測(cè)速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種電阻抗式細(xì)菌快速檢測(cè)傳感器的數(shù)據(jù)分析方法，具體地說(shuō)本發(fā)明是將叉指式電極采集到的阻抗和相位信號(hào)進(jìn)行處理，獲得Nyquist曲線，建立Nyquist曲線斜率與細(xì)菌數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)曲線，最終用Nyquist曲線斜率來(lái)有效的表征樣品中的細(xì)菌數(shù)量，從而進(jìn)行微生物的快速檢測(cè)。本發(fā)明的目的是通過(guò)叉指式電極的設(shè)計(jì)和制造、阻抗和相位信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)的分析測(cè)定三個(gè)主要步驟實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明的目的是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的I)根據(jù)測(cè)試需求完成叉指式電極的設(shè)計(jì)和制作，使電極在測(cè)量系統(tǒng)中的等效模型為電阻與電容的串聯(lián)。2)將待測(cè)的溶液(樣品)注入測(cè)量電極的腔體中，利用阻抗和相位測(cè)量?jī)x器在掃頻模式下進(jìn)行測(cè)量，一定的時(shí)間間隔后，再次測(cè)量，重復(fù)數(shù)次。
3)將獲得的阻抗和相位值變換為電阻值(阻抗的實(shí)部)和電抗值(阻抗的虛部)，得到Nyquist曲線，測(cè)得各Nyquist曲線的斜率值，作為細(xì)菌數(shù)量的表征。亦可將獲得的相位值取其正切值作為細(xì)菌數(shù)量的表征。做出Nyquist曲線斜率(或相位正切值)與細(xì)菌數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)曲線，在相同條件下測(cè)試，貝1J可在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)測(cè)量Nyquist曲線斜率值(或相位的正切值)獲得樣品中細(xì)菌的數(shù)量。本發(fā)明構(gòu)建的數(shù)據(jù)分析方法將由電極直接測(cè)得的數(shù)據(jù)差異進(jìn)行放大，因此在一定程度上降低了由外界環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的干擾，使得由細(xì)菌數(shù)量變化造成的差異突顯出來(lái)。該數(shù)據(jù)分析的方法為微生物的快速檢測(cè)奠定了良好的基礎(chǔ)?？傊?，本發(fā)明闡述了一種電阻抗式細(xì)菌快速檢測(cè)傳感器的數(shù)據(jù)分析方法。該傳感器基于電阻抗法原理，采用MEMS技術(shù)，設(shè)計(jì)并制造了叉指式電極用于細(xì)菌的快速測(cè)定。將叉指式電極采集到的阻抗和相位信號(hào)進(jìn)行處理，獲得Nyquist曲線。而Nyquist曲線的斜率對(duì)細(xì)菌的數(shù)量進(jìn)行了良好的表征。在細(xì)菌生長(zhǎng)過(guò)程中Nyquist曲線的斜率變化近似呈線
性關(guān)系，以此建立此參數(shù)值與樣品中原始菌量的關(guān)系，用于細(xì)菌種類及細(xì)菌數(shù)量的測(cè)定。該數(shù)據(jù)分析方法降低了對(duì)測(cè)試電極以及測(cè)量環(huán)境的要求，并縮短了細(xì)菌測(cè)定所需要的時(shí)間，可用于微生物的快速檢測(cè)中。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例的叉指式電極的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為叉指式電極的制作流程示意圖，圖中(a)涂光刻膠；(b)光刻；(C)顯影；(d)濺射Au金屬層；(e)剝離形成電極。圖3為本發(fā)明實(shí)施例的Nyquist曲線的示意圖(1-5表示為時(shí)間的先后順序)。圖4為本發(fā)明實(shí)施例的細(xì)菌培養(yǎng)時(shí)間與所測(cè)得的Nyquist曲線斜率對(duì)應(yīng)關(guān)系的示意圖。圖5為本發(fā)明實(shí)施例的相位正切值的示意圖(1-5表示為時(shí)間的先后順序)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和上述三個(gè)步驟進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步，但本發(fā)明絕非僅局限于實(shí)施例。實(shí)施例I步驟I中叉指式電極的制作叉指式電極(interdigitated array, IDA)是一對(duì)彼此交叉在一起的電極陣列。指狀子電極的間距為微米級(jí)或納米級(jí)，能夠用少量的待測(cè)液體獲得所需結(jié)果。隨著電極尺寸減小，不同阻抗區(qū)域所對(duì)應(yīng)的頻率相應(yīng)變小，細(xì)菌生長(zhǎng)前后阻抗的變化在較低頻率下就可測(cè)出。與簡(jiǎn)單的對(duì)電極相比，IDA電極具有更小的尺寸和更大的表面積，使細(xì)菌有更高的幾率粘附在電極表面，可以在較短的時(shí)間內(nèi)用較少的液體完成測(cè)量任務(wù)。使用剝離工藝(Lift-off)在玻璃片上形成圖形化的Au金屬薄層，結(jié)構(gòu)示意圖如圖I、制作流程如圖2所示。實(shí)施例2電極參數(shù)的影響因素電極的參數(shù)對(duì)于測(cè)試電極系統(tǒng)的靈敏度至關(guān)重要。電極的材料、厚度、叉指對(duì)數(shù)以及電極的指間間距和寬度的比例均會(huì)影響到測(cè)試系統(tǒng)的靈敏度。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)信號(hào)的強(qiáng)度與整個(gè)電極陣列的表面積有關(guān)，且指電極寬度會(huì)降低使信噪比增加。濺射Au層厚度為O. lum，在指間間距和寬度的比例為I : I、叉指對(duì)數(shù)20對(duì)、叉指電極長(zhǎng)度為2_的條件下，測(cè)試指電極寬度與靈敏度的關(guān)系。設(shè)置指電極的寬度為20um、25um、30um、50um、100um、200um。實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步證明在此待測(cè)條件下，電極的靈敏度隨指電極的寬度降低而增加。濺射Au層厚度為O. lum，在指間間距和寬度的比例為I : I、叉指電極長(zhǎng)度2mm、指電極的寬度為25um的條件下，測(cè)試叉指對(duì)數(shù)與靈敏度的關(guān)系。設(shè)置叉指對(duì)數(shù)為1、2、4、8、
16、32。結(jié)果表明在此待測(cè)條件下，叉指電極的靈敏度隨叉指對(duì)數(shù)的增加而增加。另外還設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了指間間距和寬度的比例與靈敏度的關(guān)系以及電極材料對(duì)于靈敏度的影響，如ITO材料在玻璃上的電極、Au在玻璃上的電極、Pt在玻璃上的電極以及金在硅上的電極。此電極的靈敏度與眾多參數(shù)的設(shè)置有關(guān)，在測(cè)試環(huán)境下找到一個(gè)合適的電極參數(shù)來(lái)提高電極的靈敏度。實(shí)施例3當(dāng)測(cè)量電極加入樣品后，電極與溶液之間界面的電雙層，一般等效于一個(gè)電容器，稱為電雙層電容，因此所述的雙層電容的頻響特性與“純電容”并不一致，存在“彌散效應(yīng)”。等效的元件為常相位角元件(CPE) Q。此電極測(cè)試系統(tǒng)的等效模型為等效常相位角元件Q與等效電阻R的串聯(lián)。它的阻抗為
權(quán)利要求
1.一種電阻抗式細(xì)菌快速檢測(cè)傳感器的數(shù)據(jù)分析方法，其特征在于包括以下步驟 a)根據(jù)測(cè)試需求完成叉指式電極的設(shè)計(jì)和制作，使電極在測(cè)量系統(tǒng)中的等效模型為電阻與電容的串聯(lián)； b)將待測(cè)的溶液注入測(cè)量電極的腔體中，利用阻抗和相位測(cè)量?jī)x器在掃頻模式下進(jìn)行測(cè)量，一定的時(shí)間間隔后，再次測(cè)量，重復(fù)數(shù)次； c)將獲得的阻抗和相位值變換為電阻值和電抗值，得到Nyquist曲線，測(cè)得各Nyquist曲線的斜率值，作為細(xì)菌數(shù)量的表征；或?qū)@得的相位值取其正切值作為細(xì)菌數(shù)量的表征，作出Nyquist曲線斜率或相位正切值與細(xì)菌數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)曲線，在相同條件下測(cè)試，則可在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)測(cè)量Nyquist曲線斜率值或相位的正切值獲得樣品中細(xì)菌的數(shù)量。
2.按權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述的叉指式電極是一對(duì)彼此交叉在一起的電極陣列，所述的指狀子電極的間距為微米級(jí)或納米級(jí)。
3.按權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于所述的叉指電極是在玻璃片上形成圖形化的Au薄層，使用剝離工藝形成叉指電極。
4.按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述叉指電極間距和寬度比為I: 1，叉指電極長(zhǎng)度為2mm，叉指對(duì)數(shù)為20對(duì)。
5.按權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于叉指電極的靈敏度隨叉指對(duì)數(shù)的增加而增力口，隨叉指電極的寬度降低而增加。
6.按權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟b所述的待測(cè)溶液注入測(cè)量電極的腔體時(shí)，電極和待測(cè)溶液之間界面的電雙層等效于一個(gè)電雙層電容，電極測(cè)試系統(tǒng)的等效模型為等效常相位角元件Q與等效電阻R的串聯(lián)。
7.按權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于所述的等效模型阻抗為
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電阻抗式細(xì)菌快速檢測(cè)傳感器的數(shù)據(jù)分析方法。該傳感器基于電阻抗法原理，采用MEMS技術(shù)，設(shè)計(jì)并制造了叉指式電極用于細(xì)菌的快速測(cè)定。將叉指式電極采集到的阻抗和相位信號(hào)進(jìn)行處理，獲得Nyquist曲線。而Nyquist曲線的斜率對(duì)細(xì)菌的數(shù)量進(jìn)行了良好的表征。在細(xì)菌生長(zhǎng)過(guò)程中Nyquist曲線的斜率變化近似呈線性關(guān)系，以此建立此參數(shù)值與樣品中原始菌量的關(guān)系，用于細(xì)菌種類及細(xì)菌數(shù)量的測(cè)定。該數(shù)據(jù)分析方法降低了對(duì)測(cè)試電極以及測(cè)量環(huán)境的要求，并縮短了細(xì)菌測(cè)定所需要的時(shí)間，可用于微生物的快速檢測(cè)中。
文檔編號(hào)G01N27/02GK102954985SQ20111025407
公開(kāi)日2013年3月6日 申請(qǐng)日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月31日
發(fā)明者金慶輝, 張鳳, 金妍, 葛玉卿, 趙建龍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所