一种基于移动终端的用于生化检测的NFC标签传感器系统及其应用

摘要

本发明公开了一种基于移动终端的用于生化检测的NFC(进场通信)标签传感器系统及其应用，该系统由NFC标签传感器和具有NFC功能的移动终端组成，NFC标签传感器和移动终端相互通信，所述NFC标签传感器包括天线、贴片电容、NFC集成电路芯片、PET基底、滑动变阻器和电极；所述天线、贴片电容和NFC集成电路芯片封装在PET基底上，天线的一端与贴片电容的一端相连，贴片电容的另一端与滑动变阻器的滑动端相连，滑动变阻器的线圈的一端与电极的一端相连，电极的另一端与NFC集成电路芯片的一端相连，天线的另一端与NFC集成电路芯片的另一端相连。该NFC标签传感器系统可以实现对不同目标物的半定量检测。本发明具有无线、无源、体积小、成本低、方便携带等特点，可以用于环境监测、健康诊断以及物联网等领域。

说明书

技术领域

本发明涉及电化学阻抗检测技术，尤其涉及一种基于移动终端的用于生化检测的NFC标签传感器系统及其应用。

背景技术

近年来，智能手机在全球范围内普及。由于智能手机强大的内置功能，比如各种不同的接口和传感器，联网能力，优秀的数据处理能力，显示功能，使得以手机为主的移动终端在便携式的传感器系统中起到重要作用。这些便携的传感系统可用于环境监测和健康追踪等领域，它们通常由一个附加传感装置和一个手机组成，附加装置可以是便携的电化学检测装置、荧光检测装置等等，手机往往起到一个控制检测流程，接收和处理实验数据，显示检测结果的功能。手机和附加装置通过蓝牙、USB接口、摄像头、音频口等接口进行有线或无线的数据传输，附加装置通过音频口等接口从手机获取能量来工作，或者由外部电源提供能量。

无源的标签传感器和电子纹身是最近的研究热点，这种新型传感器的优势在于无源、无线、体积小巧、柔性可贴附等，可以用于监测环境污染物和一些健康指标。它们的设计主要基于射频识别(RFID)技术。虽说这种传感器有很多优势，但是通常都需要一台笨重的网络分析仪或阻抗分析仪来接收和处理实验数据，而不能和一些移动终端如手机结合。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于移动终端的用于生化检测的NFC标签传感器系统及其应用。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于移动终端的用于生化检测的NFC标签传感器系统，该系统由NFC标签传感器和具有NFC功能的移动终端组成，NFC标签传感器和移动终端相互通信，NFC标签传感器包括天线、贴片电容、NFC集成电路芯片、PET基底、滑动变阻器和电极；天线、贴片电容和NFC集成电路芯片封装在PET基底上，天线的一端与贴片电容的一端相连，贴片电容的另一端与滑动变阻器的滑动端相连，滑动变阻器的线圈的一端与电极的一端相连，电极的另一端与NFC集成电路芯片的一端相连，天线的另一端与NFC集成电路芯片的另一端相连。

进一步的，所述电极为经CVD生长的单层石墨烯修饰的碳叉指电极。

进一步的，所述电极由金电极和铂电极组成。

本发明的另一目的是提供一种一种基于移动终端的用于生化检测的NFC标签传感器系统在气体浓度半定量检测中的应用，包括如下步骤：

(1)测量NFC标签传感器的通断阈值；

短接电极，由小到大调节滑动变阻器的阻值，再用具有NFC功能的移动终端靠近天线，当NFC标签传感器从可读状态变成不可读状态时，滑动变阻器的阻值为NFC标签传感器的通断阈值。

(2)阈值梯度分布的确定

配置至少五种不同浓度的乙醇气体，将碳叉指电极放置在恒温恒湿的气室中，电化学工作站连接到电极的两个引脚上，用于检测电极的阻抗变化；将不同浓度的乙醇气体依次通入到气室中，每次通入乙醇气体后需通入等时长的空气，通过电化学工作站记录阻抗变化曲线，根据阻抗变化曲线，设计至少五个成梯度分布的阈值；

(3)气体浓度的半定量检测

将不同浓度的乙醇气体依次通入到气室中，每次通入乙醇气体后需通入等时长的空气，并通过调整滑动变阻器将NFC标签传感器的阈值调整到之前设计好的不同阈值，通过具有NFC功能的移动终端读取NFC标签传感器的通断，实现对气体浓度的半定量检测。

本发明还提供一种基于移动终端的用于生化检测的NFC标签传感器系统在离子溶液浓度半定量检测中的应用，包括如下步骤：

(1)测量NFC标签传感器的通断阈值；

短接电极，由小到大调节滑动变阻器的阻值，再用具有NFC功能的移动终端靠近天线，当NFC标签传感器从可读状态变成不可读状态时，滑动变阻器的阻值为NFC标签传感器的通断阈值。

(2)阈值梯度分布的确定

配置多种不同浓度的离子溶液，对于每种浓度，取等体积的离子溶液放入到电化学池中，并将金电极和铂电极插入到电化学池中，电化学工作站连接到金电极和铂电极上，通过电化学工作站记录浓度-阻抗曲线，根据该曲线，设计至少三个成梯度分布的阈值；

(3)离子溶液浓度的半定量检测

对于每种浓度，取等体积的离子溶液放入到电化学池中，并将金电极和铂电极插入到电化学池中，通过调整滑动变阻器将NFC标签传感器的阈值调整到之前设计好的不同阈值，通过具有NFC功能的移动终端读取NFC标签传感器的通断，实现对离子溶液浓度的半定量检测。

本发明还提供一种基于移动终端的用于生化检测的NFC标签传感器系统在细菌浓度半定量检测中的应用，包括如下步骤：

(1)测量NFC标签传感器的通断阈值；

短接电极，由小到大调节滑动变阻器的阻值，再用具有NFC功能的移动终端靠近天线，当NFC标签传感器从可读状态变成不可读状态时，滑动变阻器的阻值为NFC标签传感器的通断阈值。

(2)阈值梯度分布的确定

将细菌培养液稀释到不同的细菌浓度，对于每种浓度，取等体积的细菌培养液放入到电化学池中，并将金电极和铂电极插入到电化学池中，电化学工作站连接到金电极和铂电极上，通过电化学工作站记录浓度-阻抗曲线，根据该曲线，设计至少三个成梯度分布的阈值；

(3)细菌浓度的半定量检测

对于每种浓度，取等体积的细菌培养液放入到电化学池中，并将金电极和铂电极插入到电化学池中，通过调整滑动变阻器将NFC标签传感器的阈值调整到之前设计好的不同阈值，通过具有NFC功能的移动终端读取NFC标签传感器的通断，实现对细菌浓度的半定量检测。

本发明相对于现有的生化传感器具有以下有益效果：本发明设计了一种基于移动终端的用于生化检测的NFC标签传感器系统，通过在电路中串联滑动变阻器的方法，克服了NFC标签传感器不能对目标物进行较为精确的半定量检测的缺点，不仅用传感器实现了对乙醇气体的半定量检测，还首次将NFC标签传感器用于气体以外的生化检测，如离子溶液和细菌的检测。该传感器本身具有无源、无线、低成本、体积小巧、柔性可贴附等优势，同时使用具有NFC功能的移动终端如手机为传感器提供能量，接收和处理实验数据，并显示实验结果，克服了现有的标签传感器需要大型的网络分析仪等仪器等分析处理数据的缺点，将标签传感器和便携移动终端如手机的双重优势结合在一起。在乙醇气体传感中，NFC标签传感器的电极部分采用经CVD生长的单层石墨烯修饰过的碳叉指电极，在离子溶液和细菌的检测中，使用传统的金电极和铂电极。电极可以针对不同的目标检测物进行更换。根据以上优点，本发明可以用于环境监测、健康诊断以及物联网等领域。

附图说明

图1是本发明基于移动终端的用于生化检测的NFC标签传感器系统整体结构图；

图2是本发明经CVD生长的单层石墨烯修饰的碳叉指电极结构图；

图3是本发明中使用金电极和铂电极进行溶液检测的结构图；

图4(a)为NFC标签传感器中没有接滑动变阻器的示意图，图4(b)为图4(a)的等效电路图，图4(c)为单一浓度检测原理图；

图5(a)为NFC标签传感器中有接滑动变阻器的示意图，图5(b)为图5(a)的等效电路图，图5(c)为半定量浓度检测原理图；

图6是本发明的NFC标签传感器系统对乙醇气体浓度的半定量检测结果图；

图7是本发明的NFC标签传感器系统对KCl离子溶液的半定量检测结果图；

图8是本发明的NFC标签传感器系统对金黄色葡萄球菌浓度的半定量检测结果图；

图中：天线1、贴片电容2、NFC集成电路芯片3、PET基底4、滑动变阻器5、电极6，移动终端7。

具体实施方式

以下结合附图和具体实例对本发明作详细描述，但并不是限制本发明。

如图1所示，本发明提供一种基于移动终端的用于生化检测的NFC标签传感器系统，该系统由NFC标签传感器和具有NFC功能的移动终端7组成，移动终端如手机，NFC标签传感器和移动终端7相互通信；NFC标签传感器包括天线1、贴片电容2、NFC集成电路芯片3、PET基底4、滑动变阻器5和电极6；天线1、贴片电容2和NFC集成电路芯片3封装在PET基底4上，天线1的一端与贴片电容2的一端相连，贴片电容2的另一端与滑动变阻器5的滑动端相连，滑动变阻器5的线圈的一端与电极6的一端相连，电极6的另一端与NFC集成电路芯片3的一端相连，天线1的另一端与NFC集成电路芯片3的另一端相连。

在进行气体浓度的半定量检测时，如乙醇气体，所述电极6为经CVD生长的单层石墨烯修饰的碳叉指电极，如图2所示，气体浓度的变化会导致电极阻抗的变化；在进行离子溶液或细菌浓度的半定量检测时，如KCl溶液和金黄色葡萄球菌，所述电极6由金电极和铂电极组成，如图3所示，目标物浓度的变化会导致电极测得的阻抗值改变。

本发明NFC标签传感器的构建和检测原理如下：

1)、如图4(a)所示，NFC标签传感器中没有接滑动变阻器5示意图，它的等效电路图如图4(b)所示，该NFC标签传感器有一个通断阈值R_阈值，当电极6的阻值低于这个阈值时，用具有NFC模块的移动终端读取NFC标签传感器，传感器处于可读状态，当电极6的阻值由于目标物质的存在而升高到阈值以上时，NFC标签传感器处于不可读状态，通过用移动终端来检测NFC标签传感器的可读性变化，就可以检测出目标物质存在与否，但是由于该阈值是一个恒定的值，所以只能对目标物进行单一浓度检测，并不能实现半定量检测，如图4(c)所示。

2)、如图5(a)所示，NFC标签传感器中接入了滑动变阻器5示意图，图5(b)是它的等效电路图，从图5(c)中可以看到，原来的NFC标签传感器的通断阈值是阈值1，串联了滑动变阻器5以后，通断阈值下降了R_滑，变成了阈值2，即原来电极6的阻值达到阈值1时才会使得传感器不可读，现在只要达到阈值2时就可以使传感器的状态改变，变得不可读。对于一般的检测目标物，电极6阻抗都会和目标物浓度呈现一定的线性关系，由此，通过调整滑动变阻器5的阻值到一系列不同的值，就可以给NFC标签传感器设定一系列成梯度分布的阈值。对于某个特定的浓度，当传感器处于不同阈值状态下，可读性会不同，某些阈值下NFC标签传感器处于“可读”状态，某些阈值下NFC标签传感器处于“不可读”状态，这样在具有NFC模块的移动终端上会输出一个数字化的检测结果，对应于不同浓度或浓度范围，即可以实现目标物的半定量检测。

实施例1：

利用NFC标签传感器进行气体浓度的半定量检测，所述电极6为经CVD生长的单层石墨烯修饰的碳叉指电极，以乙醇气体检测为例，包括如下步骤：

(1)测量NFC标签传感器的通断阈值；

短接NFC标签传感器中的电极6两端，由小到大调节滑动变阻器5的阻值，再用具有NFC功能的移动终端靠近天线1，当NFC标签传感器从可读状态变成不可读状态时，滑动变阻器5的阻值为NFC标签传感器的通断阈值，经过测量，该NFC标签传感器的通断阈值是2.7kΩ。

(2)阈值梯度分布的确定

配置浓度分别为5ppm,4ppm,3ppm,2ppm和1ppm的乙醇气体。将碳叉指电极放置在恒温恒湿的气室中，电化学工作站连接到电极的两个引脚上，用于检测电极的阻抗变化；交替通入空气和配置好的乙醇气体(按浓度依次降低)，每次通气50s,用电化学工作站记录碳叉指电极的阻抗变化曲线，采样间隔为1s。得到电极的阻抗随浓度上升线性上升。根据乙醇气体浓度对应的电极阻抗变化曲线，调整电路中滑动变阻器5的阻抗值分别为0.1kΩ,0.2kΩ,0.3kΩ,0.4kΩ,0.5kΩ，使得NFC标签通断阈值分别为2.6kΩ,2.5kΩ,2.4kΩ,2.3kΩ,2.2kΩ，这五个阈值状态分别记为TAG2,TAG3,TAG4,TAG5,TAG6。

(3)气体浓度的半定量检测

将NFC标签传感器的碳叉指电极部分放置在恒温恒湿的气室中，其余部分放置在气室外部。将空气和浓度分别为5ppm,4ppm,3ppm,2ppm和1ppm的乙醇气体交替通入到气室中，每次通气50s，采样间隔为1s。对于每个浓度，调整滑动变阻器5的阻值，将NFC标签传感器的阈值调整到之前设计好的五个不同的阈值状态TAG2到TAG6，用具有NFC功能的移动终端读取NFC标签传感器的通断，若可读，记为“0”，若不可读，记为“1”。如图6所示，通入5ppm的乙醇气体时，碳叉指电极的阻抗值在2.6kΩ和2.7kΩ之间，超过所有设定的阈值，所以TAG2到TAG6都不可读，移动终端上显示检测结果为11111，通入4ppm乙醇气体时，碳叉指电极的阻抗值在2.5kΩ和2.6kΩ之间，低于TAG2的通断阈值，高于其他的阈值，所以移动终端上显示检测结果为01111，以此类推，3ppm、2ppm和1ppm得到的检测结果分别为00111、00011和00001，该结果表明NFC标签传感器可以用于乙醇气体的半定量检测。

实施例2：

利用NFC标签传感器进行离子溶液浓度的半定量检测，所述电极6由金电极和铂电极组成，以KCl溶液的检测为例，包括如下步骤：

(1)测量NFC标签传感器的通断阈值；

短接NFC标签传感器中的电极6两端，由小到大调节滑动变阻器5的阻值，再用具有NFC功能的移动终端靠近天线1，当NFC标签传感器从可读状态变成不可读状态时，滑动变阻器5的阻值为NFC标签传感器的通断阈值，经过测量，该NFC标签传感器的通断阈值是2.7kΩ。

(2)阈值梯度分布的确定

配置18个不同浓度的KCl溶液，浓度梯度为0.008M,0.009M,0.01M,0.011M,0.012M,0.013M,0.014M,0.015M,0.016M,0.02M,0.03M,0.04M,0.05M,0.06M,0.07M,0.08M,0.09M,and 0.1M，对于每个浓度，取4mL放入电化学池中，将金电极和铂电极伸入到溶液中，电化学工作站连接到金电极和铂电极上，测不同浓度下的阻抗值，绘制浓度-阻抗曲线。双电极测得的阻抗随着KCl浓度的升高而降低，根据该曲线，调整滑动变阻器5的阻值，从而设计三个不同的通断阈值2.7kΩ、1.35kΩ和0.45kΩ，分别记为TAG1、TAG7和TAG8。

(3)离子溶液浓度的半定量检测

对于每个浓度的KCl溶液，取4mL放入电化学池中，将金电极和铂电极伸入到溶液中。将NFC标签传感器的阈值调整到设定好的三个不同的阈值，用具有NFC功能的移动终端读取NFC标签传感器的通断，若可读，记为“0”，若不可读，记为“1”。如图7所示，当KCl的浓度大于或等于0.05M时，电极测到的阻抗低于所有的通断阈值，所以移动终端上显示的检测结果为000，当KCl的浓度大于等于0.02M且小于等于0.05M时，电极阻抗超过TAG8的阈值，TAG8变为不可读，检测结果为001，以此类推，浓度在0.01M到0.016M之间时，检测结果为011，浓度小于等于0.009M时，检测结果为111。该结果表明NFC标签传感器可以实现对离子溶液的半定量检测。

实施例3：

利用NFC标签传感器进行细菌浓度的半定量检测，所述电极6由金电极和铂电极组成，以金黄色葡萄球菌的检测为例，包括如下步骤：

(1)测量NFC标签传感器的通断阈值；

短接NFC标签传感器中的电极6两端，由小到大调节滑动变阻器5的阻值，再用具有NFC功能的移动终端靠近天线1，当NFC标签传感器从可读状态变成不可读状态时，滑动变阻器5的阻值为NFC标签传感器的通断阈值，经过测量，该NFC标签传感器的通断阈值是2.7kΩ。

(2)阈值梯度分布的确定

配置2种不同浓度的金黄色葡萄球菌培养液，浓度分别为10^5(c)FU/mL和10⁶CFU/mL，并用空的培养液作为对照组，三组分别取4mL于电化学池中，将金电极和铂电极伸入到溶液中，电化学工作站连接到金电极和铂电极上，测不同浓度下的阻抗值，绘制浓度-阻抗曲线。根据该曲线，调整滑动变阻器5的阻值，从而设计两个不同的通断阈值0.3kΩ和0.25kΩ，分别记为TAG9和TAG10。

(3)细菌浓度的半定量检测

配置2种不同浓度的金黄色葡萄球菌培养液，浓度分别为105(c)FU/mL和106CFU/mL，并用空的培养液作为对照组，三组分别取4mL于电化学池中，将金电极和铂电极伸入到溶液中，用具有NFC功能的移动终端读取NFC标签传感器的通断，若可读，记为“0”，若不可读，记为“1”。如图8所示，当细菌的浓度在10⁶CFU/mL时，电极测得的阻抗值高于TAG9和TAG10的通断阈值，所以移动终端上显示的检测结果为11，细菌浓度为10^5(c)FU/mL时，检测结果为01，当细菌浓度为0时，检测结果为00。结果表明，用NFC标签传感器也可以实现细菌浓度的半定量检测。