[发明专利]一种基于表面等离子体激元的皮肤含水量检测传感器

说明书

该发明公开了一种基于表面等离子体激元的皮肤含水量检测传感器，属于微波生物医学传感检测技术领域，具体涉及一种可用于皮肤恶性黑色素瘤和皮肤含水量检测的表面等离子体激元的微波生物传感器。本发明通过微波在金属表面产生表面等离子体激元的特性，利用人体正常皮肤含水量与癌细胞之间的差异；人体正常不同特性的皮肤(干性皮肤、油性皮肤和湿性皮肤)的差异来鉴别检测人体皮肤组织的健康状况。通过仿真计算发现，表面等离子体激元的场主要集中在基片中心位置处，沿着基片正面方向场强不断衰减。该表面等离子体激元的色散曲线图显示在所选频段内变化明显，适用于不同含水量皮肤组织的检测。

技术领域

本发明属于微波生物医学传感检测技术领域，具体涉及一种可用于皮肤恶性黑色素瘤和皮肤含水量检测的表面等离子体激元的微波生物传感器。

背景技术

生物传感器是指使用物理化学探测方法来检测包含生物成分分析物的设备，是现代生物技术与微电子学、光学、电磁学、热学等多学科交叉结合的产物。目前，生物传感器较多的应用于医疗检验、食品工业、生物工程、农业、畜牧业等与生命科学关系密切的领域。20世纪60年代以来，从最先出现的利用酶催化过程和催化的专一性构成具有高灵敏度、选择性强的酶传感器到后来的免疫传感器、微生物传感器、以及酶热敏电阻型传感器等，生物传感器得到了迅速的发展。生物传感器发展至今，已经克服了传统生物传感器消耗试剂、破坏试样等缺点，可以直接分析并反复使用，操作简单。这些特点为基础医学研究、临床诊断和环境医学的发展做出了重要的贡献。

传统的生物医学传感器包括电化学生物传感器、半导体生物传感器、热学型生物传感器、光学型生物传感器及声学型生物传感器等。微波生物传感器是利用人体的组织、血糖溶液、抗原抗体、离体癌细胞等与微波相互作用来检测人体对电磁波的吸收量和反射量来设计的微波器件。表面等离子体激元是金属表面区域内自由电子与光子相互作用形成的一种电磁表面波，在表面位置处的场强最大，垂直于界面方向上是指数衰减场。表面等离子体激元波的传播常数k_sp可由公式(1)可得出

式中，ε_m和ε_r分别为金属和介质的介电常数；k₀为自由空间的波数。由公式(1)可知，界面两侧介质的介电性能对电磁波场分布有很大的影响，利用这一点可以设计出结构简单、灵敏度高、响应速度快的生物传感器，检测过程中无需标记，对样品可实时监控且传感芯片可重复利用。日本京都大学科学家与Naris化妆品公司利用太赫兹频段产生表面等离子体激元设计出的生物传感器准确的测量了涂抹化妆品时皮肤角质层水分含量。而较太赫兹波来说，微波频段的电磁波趋肤深度更深，与人体组织相互作用效果更好。一般来说，恶性黑色素瘤含水量比正常人体皮肤组织高出大概10％，利用表面等离子体激元设计的微波传感器通过检测人体皮肤含水量不仅可以用于化妆品行业而且可以有效地检测皮肤癌细胞。

发明内容

本发明提出了一种新型的基于表面等离子体激元的含水量检测用微波生物传感器。该传感器利用微波在交错光栅微带上产生的表面等离子体激元与人体皮肤组织的相互作用来检测皮肤的含水量，采用微波频段为5-13GHz，具有反射较小，插损平坦，相位均匀等特点。同时，该传感器体积小巧，便于携带，可作为实时检测皮肤含水量的美容工具，也可通过皮肤含水量初步区分正常皮肤与癌变组织。

表面等离子体激元激励结构为微带线结构，包括交错的光栅不变结构、以及其两端分别连接的一段光栅渐变结构；所述两渐变交错光栅结构末端分别通过一短截微带线连接微波接口；电磁波从一个微波接口输入，由表面等离子体激元激励结构激发表面等离子体激元，最后由另一个微波接口输出，通过安捷伦矢量网络分析仪测量传感器的S参数，进而通过S参数的变化确定皮肤组织的含水量；