65GHz 介电泳 - LC 振荡器阵列芯片：饮料细菌无标记紧凑检测技术

食品中细菌污染严重威胁公众健康，据世界卫生组织报告，每年约有 6 亿例食源性疾病发生。饮料因成分多样、消费广泛，细菌易在其中快速增殖，如大肠杆菌、沙门氏菌等，给食品安全带来极大隐患，因此快速、准确检测饮料中的细菌至关重要。

这款传感器芯片采用 65nm CMOS 工艺制造，在 3×3 平方毫米的检测区域内，以之字形排列了 1488 个传感器元件。每个元件均集成了 5 微米的介电泳电极和 50 微米的 LC 振荡器。介电泳电极通过施加非均匀电场产生介电泳力，基于微生物与基质的介电特性差异，实现对目标细菌的定向捕获。具体而言，当电场频率使得克劳修斯 - 莫索蒂因子（CM 因子）为正时，正介电泳力（p-DEP）会将细菌吸引至高电场密度区域，如电极尖端附近。而 LC 振荡器工作在 65GHz 的谐振频率，其输出频率会随样本介电常数的变化而发生偏移。当细菌存在时，会替代电极表面的 Bulk 水体积，导致介电常数降低，进而使谐振频率升高，通过对这一频率偏移量的检测，即可实现对细菌数量的定量分析。这一频率设计能够有效减少结合水的干扰，直接反映菌体体积的变化，从而实现无标记检测。

图 1：展示传感器芯片的微观结构、介电泳电极电场分布、LC 振荡器等效电路及实验装置，呈现芯片设计原理与检测流程。

图 2：通过传感器元件输出矩阵、显微镜图像及频率变化曲线，显示细菌随时间的捕获分布与动态过程。

研究团队针对大肠杆菌和酿酒酵母，对传感器的介电泳收集模式进行了评估，并优化了其在矿泉水、绿茶、牛乳等不同饮料基质中的检测条件。实验结果表明，在矿泉水和绿茶中，该传感器对大肠杆菌的检测限可达 1.3×10⁵个细胞 / 毫升；对于电导率较高的牛乳，通过 10 倍蒸馏水稀释，将电导率降低至适宜范围后，检测限为 5.4×10⁶个细胞 / 毫升，且富集效率最高可达 20 倍。值得一提的是，整个检测过程无需进行预处理，也无需使用外部分析仪或温度控制设备，仅需 30 分钟即可完成。此外，实验还发现，传感器对不同尺寸的微生物（如大肠杆菌和酵母）的捕获模式存在差异，这为微生物的尺寸区分提供了潜在的技术路径。

图 3：对比不同介电泳电压、流速下的细菌捕获效率及分布差异，优化检测条件。

与传统的细菌检测方法相比，该技术具有显著的优势。传统的平板培养法需要数天时间才能完成菌落计数和细菌浓度定量；而聚合酶链式反应（PCR）、酶联免疫吸附测定（ELISA）等分子技术，虽然能在数小时内实现精确检测，但依赖复杂的设备和专业技术人员，成本较高，难以满足食品行业日常检测的需求。新开发的技术通过将介电泳与 LC 振荡器集成设计，利用非均匀电场实现细菌的分离和富集，并结合高频振荡信号的变化实现无标记检测，成功避免了传统方法耗时、设备依赖等问题。此外，芯片的紧凑设计使其便于集成到便携式设备中，在大规模生产后，单芯片成本可降至约 2 美元，且具备可重复使用性，极大地降低了检测成本。

图 4：计算并验证不同饮料基质中介电泳力（CM 因子）随频率的变化，指导频率选择。

研究还深入分析了介电泳电压、流速对细菌捕获效率的影响。提高电压可以增强介电泳力，从而提升细菌的捕获量；但流速过高时，流体阻力会抵消介电泳力，导致捕获效率下降。例如，在 20Vpp 的电压下，即使流速达到 50μL/min，仍能有效捕获大肠杆菌，而在 5Vpp 电压下，当流速超过 20μL/min 时，捕获量则显著减少。不同饮料基质的电导率差异直接影响介电泳频率的选择：低电导率的矿泉水在 2MHz 时介电泳力最强，中等电导率的绿茶优化频率为 5MHz，高电导率的牛乳则需稀释后在 5MHz 下进行检测，这体现了该技术对不同基质的良好适应性。

参考文献：Chen S, Yamashige Y, Kondo N, et al. Label-free and compact approach for bacterial detection in beverages using a dielectrophoresis-integrated 65-GHz inductor-capacitor-oscillator array sensor chip1[J]. Food Bioscience, 2025: 106803.