阅读说明：本技术 一种葡萄糖溶液介电特性的测量方法 (Method for measuring dielectric property of glucose solution ) 是由 肖夏 胡敏 于 2019-09-01 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种葡萄糖水溶液的介电特性测量方法,包括下列步骤：葡萄糖溶液的配制；介电特性的测定；确定测试频率范围后对不同浓度的葡萄糖溶液进行测试,测量得到葡萄糖溶液相对介电常数ε′、介电损耗ε″和频率之间的关系；将在相对介电常数ε′、介电损耗ε″随频率变化的数据中选取合适的频点范围,在该频点范围内拟合成Debye公式,用Debye公式描述葡萄糖溶液的介电性质,绘制频率-相对介电常数和频率-电导率的关系图。(The invention relates to a method for measuring dielectric properties of a glucose aqueous solution, which comprises the following steps: preparing a glucose solution; measuring the dielectric property; determining a test frequency range, testing glucose solutions with different concentrations, and measuring to obtain a relation between a relative dielectric constant epsilon ', a dielectric loss epsilon' and frequency of the glucose solution; selecting a proper frequency point range from the data of the change of the relative dielectric constant epsilon 'and the dielectric loss epsilon' along with the frequency, fitting the frequency point range into a Debye formula, describing the dielectric property of the glucose solution by using the Debye formula, and drawing a relation graph of frequency-relative dielectric constant and frequency-conductivity.)

一种葡萄糖溶液介电特性的测量方法

技术领域

本发明属于溶液介电特性检测、数据拟合以及无创测血糖的应用等的技术领域。

背景技术

当前，糖尿病作为一种全球性的疾病发病率不断增长。而诸多无创和微创的方法都未免给患者带来身体上的痛苦和精神的压力，同时，也存在感染的风险，并不适合长期连续的监测。人们迫切希望一种精准的无创检测血糖的方法诞生。目前，许多学者试图通过研究血糖浓度对电磁信号的响应特性来实现无创血糖检测。人体的血液样本来来进行相关的研究通常是资源短缺和高成本的。人全血含有葡萄糖，其他必需物质以及水，其含量约为其体积的50％。此外，软组织含有高达80％的水。因此，为了设计和验证传感器等相关器件的有效性或者为了设计验证相关仿真研究的可行性的体外实验，经常通过葡萄糖/水溶液来近似血液作为初步/初始步骤。因此，不同浓度的葡萄糖/水溶液的复介电常数模型起着重要的作用，应该是准确的。Karacolak等人进行了一项研究。关于Cole-Cole模型的葡萄糖依赖性血浆介电特性连续血糖监测。上面报道的值属于血浆，其中92％的体积由水组成。因此，对于葡萄糖/水溶液也预期类似的行为。即随着葡萄糖溶液浓度的升高，介电特性和电导率都降低。然而，在高频段相关的不同浓度的葡萄糖/水溶液的复介电常数的测量数据以及拟合用于仿真建模的Debye模型数据都很匮乏。

基于开端同轴探头法的电学特性测量技术能对葡萄糖水溶液的电学特性进行快速、实时、准确、定量的宽频测量。因此本发明基于同轴探头和网络分析仪实现对葡萄糖水溶液的无损快速检测，根据不同浓度的葡萄糖水溶液在不同频率下表现的电学特性拟合到Debye方程，使它可以应用到无创血糖检测中的色散建模，有利于相关研究的实验验证。

发明内容

本发明提供一种200MHz-10GHz的不同葡萄糖浓度的介电特性的测量方法。此方法是一种基于同轴探头和网络分析仪的测试方法，测试多组不同葡萄糖浓度的水溶液的电学特性，相应的电学特性参数是随频率变化的函数。从测量数据中选取部分频点下介电性质和频率的对应关系开发了单极Debye模型作为不同浓度葡萄糖溶液的电学特性随频率变化的的函数，将为无创血糖检测提供一种新的方法和思路。技术方案如下：

一种葡萄糖水溶液的介电特性测量方法，包括下列步骤：

(1)葡萄糖溶液的配制：将葡萄糖和工业蒸馏水按照特定的比例配置0mg/dl-1000mg/dl以100mg/dl为间隔的11组溶液。

(2)介电特性的测定：将计算机、矢量网络分析仪、同轴探头正确连接，校准完成后，将装有葡萄糖溶液的烧杯放在探头下方，确保测量烧杯中的液体与同轴探头的表面紧密接触以防止产生空气间隙。

(3)确定测试频率范围后对不同浓度的葡萄糖溶液进行2-4次测试并将结果求取平均值作为最终的测量结果，测量得到葡萄糖溶液相对介电常数ε′、介电损耗ε″和频率之间的关系。

(4)将在相对介电常数ε′、介电损耗ε″随频率变化的数据中选取合适的频点范围，在该频点范围内拟合成Debye公式，用Debye公式描述葡萄糖溶液的介电性质，包括相对介电常数和电导率，电导率根据测量的介电损耗ε″计算，最终绘制Frequency-Dielectricconstant(频率—相对介电常数ε′)和Frequency-Conductivity(频率—电导率σ)的关系图。

附图说明

图1测量的部分浓度下的Frequency-Dielectric constant(频率—相对介电常数图)

图2测量的部分浓度下的Frequency-Conductivity(频率—电导率图)。

图3200mg/dl的葡萄糖溶液的相对介电常数测量值和公式拟合值与频率的关系

图4200mg/dl的葡萄糖溶液的相对介电常数测量值和公式拟合值与频率的关系

图5三种不同的葡萄糖溶液在不同频点下的介电常数拟合图

图6三种不同的葡萄糖溶液在不同频点下的电导率拟合图

具体实施方式

本发明提供一种200MHz-10GHz的不同葡萄糖浓度的介电特性的测量方法。此方法是一种基于同轴探头和网络分析仪的测试方法，测试多组不同葡萄糖浓度的水溶液的电学特性，相应的电学特性参数是随频率变化的函数。从测量数据中选取部分频点下介电性质和频率的对应关系开发了单极Debye模型作为不同浓度葡萄糖溶液的电学特性随频率变化的的函数，将为无创血糖检测提供一种新的方法和思路。实验方法如下：

(1)葡萄糖溶液的配制：将葡萄糖和工业蒸馏水按照特定的比例配置0mg/dl-1000mg/dl以100mg/dl为间隔的11组溶液。

(2)葡萄糖溶液介电特性的测定：将计算机、矢量网络分析仪、同轴探头正确连接，调整同轴传输线缆的位置，对矢量网络分析仪进行必要的校准工作在进行测量实验前，先将网络分析仪预热30min后，再设置相关参数范围并分别采用空气、短路器件及去离子水对网络分析仪的末端开路同轴高温探头进行校准。保证开放末端同轴探头的测量值灵敏度小于0.5。校准完成后，将装有葡萄糖溶液的烧杯放在探头下方，确保测量烧杯中的液体与同轴探头的表面紧密接触以防止产生空气间隙。

(3)确定测试频率范围后对不同浓度的葡萄糖水溶液进行2-4次测试并将结果求取平均值作为最终的测量结果，测量得到葡萄糖溶液相对介电常数ε′、介电损耗ε″和频率之间的关系。

(4)将在相对介电常数ε′、介电损耗ε″随频率变化的数据中选取合适的频点范围，在该频点范围内拟合成Debye公式(1)。以后就可以用Debye公式描述葡萄糖溶液的介电性质(相对介电常数和电导率)。电导率以可由测量的介电损耗ε″通过公式(2)计算。最终可以绘制Frequency-Dielectric constant(频率—相对介电常数ε′)和Frequency-Conductivity(频率—电导率σ)的关系图。

σ(ω)＝ωε₀ε″(ω) (2)

其中，σ表示电导率；ω＝2*πf为测量角频率。ε′为复介电常数的实部，通常称为相对介电常数；ε″为复介电常数的虚部，通常被称为介电损耗；ε₀为真空中的介电常数，ε_∞是频率无穷大时的相对介电常数，τ是弛豫时间，ε_s是相对静态介电常数。

(5)上述中的公式(1)中未知参数ε_∞、ε_s、τ均通过测试数据拟合得出，它被拟合成了与葡萄糖浓度相关的函数，Debye方程参数拟合如下所示：

ε_∞(x)＝1.073*x²+2.29*x+9.824 (3)

ε_s(x)＝0.1594*x²-0.6874*x+79.11 (4)

τ(ps)＝0.205*x²+0.2879*x+9.21 (5)

其中x表示的是单位为g/dl。

下面具体的以几种未知待测葡萄糖溶液的鉴别进行说明本发明的技术方案：

(1)将葡萄糖和工业蒸馏水按照特定的比例配置0mg/dl-1000mg/dl以100mg/dl为间隔的11组溶液，并按照相关要求进行妥善保存。进行测试前控制各组待测葡萄糖溶液放置于约24℃的室温环境下，并用精度高测量反应敏捷的电子温度计进行实时温度测量，以消除温度产生误差；

(2)葡萄糖溶液介电特性的测定：将计算机、矢量网络分析仪、同轴探头正确连接，调整同轴传输线缆的位置，对矢量网络分析仪进行必要的校准工作在进行测量实验前，先将网络分析仪预热30min后，再设置相关参数范围并分别采用空气、短路器件及去离子水对网络分析仪的末端开路同轴高温探头进行校准。保证开放末端同轴探头的测量值灵敏度小于0.5。校准完成后，测试时将不同的葡萄糖溶液依次放入25mg/dl的烧杯中。将装有葡萄糖溶液的烧杯放在探头下方，烧杯放于长80mm宽60mm的可升降平台上，确保测量烧杯中的液体与同轴探头的表面紧密接触以防止产生空气间隙。同时通过计算机上的软件预先设定测量频率范围为200～1000MHz，线性采样点981个。

(3)对11组待测溶液待测葡萄糖溶液进行4次测量，4次测量结果的平均值作为未知待测葡萄糖溶液的最终测试结果，每次测量后将探头擦拭干净避免引入其他相关误差；测量得到葡萄糖溶液相对介电常数ε′、介电损耗ε″和频率之间的关系。

(4)将在相对介电常数ε′、介电损耗ε″随频率变化的数据中选取合适的频点范围，在该频点范围内拟合成Debye公式(1)。以后就可以用Debye公式描述葡萄糖溶液的介电性质(相对介电常数和电导率)。电导率以可由测量的介电损耗ε″通过公式(2)计算。最终可以绘制Frequency-Dielectric constant(频率—相对介电常数ε′)和Frequency-Conductivity(频率—电导率σ)的关系图。图1，图2是以100mg/dl,400mg/dl,900mg/dl为例的实验测量的葡萄糖溶液的相对介电常数和电导率。可以看到它的规律性为：介电常数和电导率均是随着葡萄糖浓度的增加而降低。

σ(ω)＝ωε₀ε″(ω) (2)

其中，σ表示电导率；ω＝2*πf为测量角频率。ε′为复介电常数的实部，通常称为相对介电常数；ε″为复介电常数的虚部，通常被称为介电损耗；ε₀为真空中的介电常数，ε_∞是频率无穷大时的相对介电常数，τ是弛豫时间，ε_s是相对静态介电常数。

(5)上述中的未知参数ε_∞、ε_s、τ均通过测试数据拟合得出，它被拟合成了与葡萄糖浓度相关的函数，Debye方程参数拟合如下所示：

ε_∞(x)＝1.073*x²+2.29*x+9.824 (3)

ε_s(x)＝0.1594*x²-0.6874*x+79.11 (4)

τ(ps)＝0.205*x²+0.2879*x+9.21 (5)

其中x表示的是单位为g/dl。

通过公式(3)、(4)、(5)可以计算出公式(1)所需要的计算参数ε_∞、ε_s、τ，将这几个参数代入公式(1)可以重建不同葡萄糖浓度的电学特性与频率的关系。图3和图4分别演示了0.2g/dl(200mg/dl)的葡萄糖溶液的介电常数和电导率测量值和公式拟合值与频率的关系。图5，图6以100mg/dl,400mg/dl,900mg/dl为例绘出了Debye重构的葡萄糖溶液的介电特性，它的规律性符合图1，图2的实验实测规律：介电常数和电导率均是随着葡萄糖浓度的增加而降低。所提出的Debye拟合的参数可以良好的重现了实验数据，说明该方法对于模拟葡萄糖浓度的介电性质随频率变化关系是准确的，可用于无创测血糖研究中的色散处理以及其他电磁器件的设计。