微电子集成设备及分子信息检测方法与流程

1.本技术涉及分子通信领域，尤其涉及一种微电子集成设备及分子信息检测方法。


背景技术：

2.生物纳米物联网(internet of bio-nanothings，iobnt)作为未来6g应用场景之一，其描绘了未来网络向着更微观的区域覆盖，实现生物细胞与网络的实时交互。作为6g体域网的组成部分之一，体内外不同尺寸和不同通信原理的设备将会实现互联互通，将人体所有信息包括细胞状态等通过无线网络进行实时传递。同时，通过6g网络能够远程操控iobnt中的微型机器，实现精准的靶向治疗和微手术，这对人体健康监测和疾病预防有着十分重要的意义。
3.由于传统电磁波通信系统无法进一步微型化到微纳米尺寸，并且生物细胞之间的信息传递是以分子为载体。因此，需要构建尺寸在微纳米尺度，能够释放、传播和识别特定分子信息的分子通信器件。同时，体液中的一些生物标记物，比如核酸分子、蛋白质分子、血糖等，是一些疾病、病毒和细菌感染的特征指标。如何将这些信息进行识别和解码，并通过无线网络实时传输到体外设备具有非常重要的实际意义。
4.在这里，肿瘤细胞或者病毒就是自然的分子通信系统中的发射机，它们将特定蛋白质分子、核酸分子释放到体液中，这些信息分子通过体液循环传播到各个组织和器官。扩散到对应的分子传感器(接收机)上时，就会被特异性识别。由于这样的识别过程需要易于读取，因此通常在分子接收机的设计上会引入一些识别分子和纳米结构，用于诱发一些光、电、磁效应。这些光、电、磁的变化通过相关探测器件检测到，处理后再通过传统电磁波通信的方式由天线发送到体外的接受设备，于是就完成了分子信息的识别和无线传输。
5.然而，在实际应用中存在着一个较大的问题，分子信息的传输时间较长(端到端)。这是因为在分子通信系统中，信息分子是以自由扩散的方式在分子信道中传播，其扩散系数较低、扩散驱动力较弱、扩散距离长等，严重影响了分子信息在传输过程中的实时性，尤其是一些对时延比较敏感的场景，如远程医疗等，无法满足分子信息传输要求。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本技术实施例提供了一种微电子集成设备及分子信息检测方法，旨在改善微电子集成设备的分子信息的检测效率。
7.本技术实施例的技术方案是这样实现的：
8.第一方面，本技术实施例提供了一种微电子集成设备，包括：
9.分子信道，用于传递承载生物信息的体液分子；
10.分子传感器，用于对所述分子信道传递的所述体液分子进行浓度检测，得到表征所述浓度的光信号；
11.光电探测器，连接所述分子传感器，用于将所述光信号转换为电信号；
12.无线通信单元，连接所述光电探测器，用于将所述电信号无线发射出去；
13.其中，所述分子信道中设置多个尺寸为微米级的磁控微米元件，所述磁控微米元件用于加快所述分子信道中所述体液分子的传播速度。
14.上述方案中，所述分子传感器为纳米荧光传感器，所述光信号为所述纳米荧光传感器生成的荧光信号，所述荧光信号的强度与所述浓度正相关。
15.上述方案中，所述磁控微米元件采用直径为纳米级尺寸且长度为微米级尺寸的棒状金属元件。
16.上述方案中，所述磁控微米元件为金属镍棒。
17.上述方案中，所述金属镍棒的长度为10微米，直径为300纳米。
18.上述方案中，所述微电子集成设备的尺寸为厘米级。
19.上述方案中，所述微电子集成设备整体呈胶囊状。
20.第二方面，本技术实施例提供了一种基于第一方面所述的微电子集成设备的分子信息检测方法，所述方法包括：
21.将所述微电子集成设备置于三维亥姆霍兹线圈内；
22.控制所述三维亥姆霍兹线圈对所述微电子集成设备所处的空间施加旋转磁场，使得所述微电子集成设备的分子信道中的磁控微米元件在所述分子信道中转动，进而加快所述分子信道中体液分子的传播速度。
23.上述方案中，所述控制所述三维亥姆霍兹线圈对所述微电子集成设备所处的空间施加旋转磁场，包括：
24.对所述三维亥姆霍兹线圈在水平方向上的两对线圈施加频率相同且相位差为90度的交流电。
25.上述方案中，所述频率的取值范围为0～200赫兹，所述旋转磁场的磁场感应强度为0～100毫特斯拉。
26.本技术实施例提供的技术方案，在微电子集成设备的分子信道中设置多个尺寸为微米级的磁控微米元件，该磁控微米元件用于加快分子信道中体液分子的传播速度，从而可以使得体液分子能够快速被分子传感器识别，并将分子信息经无线通信单元发射至体外接收设备，实现了分子通信和无线通信的融合，从而可以实现分子信息的无线传输，且传输时延小，利于满足微区环境中分子信息的快速识别和实时传输的要求。
附图说明
27.图1为本技术实施例微电子集成设备的结构示意图；
28.图2为本技术一应用示例中金属镍棒的制备方法的原理示意图；
29.图3为本技术实施例分子信息检测方法的流程示意图；
30.图4为本技术实施例三维亥姆霍兹线圈的控制示意图；
31.图5为本技术应用实施例一中分子信息检测的模拟结果示意图；
32.图6为本技术应用实施例二中分子信息检测的模拟结果示意图；
33.图7为本技术应用实施例一中分子信息检测的模拟结果示意图。
34.附图标记说明：
35.100、微电子集成设备；
36.101、分子信道；
37.102、分子传感器；103、光电探测器；104、无线通信单元；
38.200、体外接收设备；
39.300、三维亥姆霍兹线圈。
具体实施方式
40.下面结合附图及实施例对本技术再作进一步详细的描述。
41.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。
42.本技术实施例提供了一种微电子集成设备，如图1所示，该微电子集成设备100包括：分子信道101、分子传感器102、光电探测器103及无线通信单元104。
43.分子信道101用于传递承载生物信息的体液分子，该体液分子由于携带疾病、病毒或者细菌感染的特征指标，又称为信息分子。示例性地，该体液分子可以核酸分子、蛋白质分子、血糖等分子。
44.可以理解的是，本技术实施例的微电子集成设备100可以设置于人体体内，相应地，人体体内的肿瘤细胞或者病毒可以作为该微电子集成设备100的发射机，即肿瘤细胞或者病毒可以将特定的蛋白质分子、核酸分子等释放到体液中，这些分子通过体液循环传播到各个组织和器官，并且可以经分子信道101扩散到对应的分子传感器102上时，就可以进行分子信息识别。
45.分子传感器102用于对分子信道101传递的体液分子进行浓度检测，得到表征浓度的光信号，进而实现对分子信息的识别。
46.示例性地，分子信息可以采用浓度编码，分子传感器102可以为纳米荧光传感器，光信号为纳米荧光传感器生成的荧光信号，荧光信号的强度与浓度正相关。例如，分子传感器102可以为纳米荧光探头，从而可以将分子信息以生物荧光的形式进行表征。
47.以体液分子为亚铁血红素分子为例，分子传感器102可以采用对亚铁血红素敏感的纳米荧光传感器。如此，纳米荧光传感器在接收到通过分子信道101传递的亚铁血红素分子后，能够将分子信息以生物荧光的形式表现出来。分子信息可以采用浓度编码，分子浓度的高低与纳米荧光传感器产生的荧光信号强度正相关。
48.光电探测器103连接分子传感器102，用于将光信号转换为电信号。示例性地，当前述的荧光信号强度足够高时，就能够被光电探测器103感知，并将光信号转换为电信号。
49.无线通信单元104连接光电探测器103，用于将电信号无线发射出去。示例性地，可以无线通信单元104可以包括微处理器芯片和天线，微处理器芯片接收光电探测器103转换的电信号，并将电信号经天线发送给体外接收设备200。
50.可以理解的是，本技术实施例的微电子集成设备100，结合了分子通信和无线通信技术，实现了微观环境中分子信息的无线传输，从而可以构建生物纳米物联网(iobnt)。
51.需要说明的是，本技术实施例中，微电子集成设备100的分子信道101中设置多个尺寸为微米级的磁控微米元件，磁控微米元件用于加快分子信道101中体液分子的传播速度。该磁控微米元件可以在外磁场的作用下加快分子信道101中体液分子的传播速度，减小分子信息的传输时延，利于满足微区环境中分子信息的快速识别和实时传输的要求。
52.示例性地，磁控微米元件采用直径为纳米级尺寸且长度为微米级尺寸的棒状金属元件。
53.可以理解的是，采用上述尺寸的棒状金属元件，便于在微电子集成设备100的分子信道101中布置，且棒状金属元件在外磁场的作用下，作为微型搅拌器在分子信道101中增强体液分子的扩散，从而实现加快分子信道101中体液分子的传播速度的目的。
54.示例性地，磁控微米元件为金属镍棒。
55.示例性地，金属镍棒的长度为10微米(um)，直径为300纳米(nm)。
56.在一应用示例中，可以采用模板辅助电化学沉积的方法制备得到金属镍棒。示例性地，如图2所示，金属镍棒的制备方法如下：使用孔径为300nm的阳极氧化铝(anodic aluminum oxide，aao)作为模板，在aao的一面涂上导电银浆并贴上铜箔作为工作电极(we)；将aao固定在电化学沉积池底部，漏出没有涂层的一面，贴有铜箔的一面连接电化学工作站的工作电极；在电化学沉积池中加入8ml的ni(h2nso3)2(氨基磺酸镍)溶液，然后将铂电极(对电极，ce)和氯化银电极(参比电极，re)插入到电解液中；通过电化学工作站施加20ma的恒定电流，持续2000秒；用氢氧化钠溶液腐蚀掉aao模板后超声清洗、离心就可以得到长度约为10μm、直径300nm的ni微米棒。
57.可以理解的是，金属镍棒的尺寸可以根据实际需求进行加工，不限于上述制备方法所示的尺寸。
58.示例性地，该微电子集成设备100的尺寸可以为厘米级。便于在人体内实现精准的靶向治疗和微手术等。
59.示例性地，该微电子集成设备100可以整体呈胶囊状。
60.本技术实施例还提供了一种基于上述的微电子集成设备100的分子信息检测方法，如图3所示，该方法包括：
61.步骤301，将微电子集成设备置于三维亥姆霍兹线圈内。
62.步骤302，控制三维亥姆霍兹线圈对微电子集成设备所处的空间施加旋转磁场，使得微电子集成设备的分子信道中的磁控微米元件在分子信道中转动，进而加快分子信道中体液分子的传播速度。
63.示例性地，上述的微电子集成设备100设置于人体内，且在人体的移动下，体内的微电子集成设备100可以位于三维亥姆霍兹线圈(3d helmholtz coils)内。
64.可以理解的是，该三维亥姆霍兹线圈为可以制造小范围区域均匀磁场的器件。由于亥姆霍兹线圈具有开敞性质，很容易实现微电子集成设备100的置入或移出。
65.示例性地，控制三维亥姆霍兹线圈对微电子集成设备所处的空间施加旋转磁场，包括：
66.对三维亥姆霍兹线圈在水平方向上的两对线圈施加频率相同且相位差为90度的交流电。
67.如图4所示，将前述制备方法制备得到的长度为10μm、直径300nm的多个金属镍棒(例如，大约10000个)引入到微电子集成设备100的分子信道101中。再将整个微电子集成设备100置于三维亥姆霍兹线圈300的中心位置，通过在x-y方向上的两对线圈施加频率相同相位差为90度的交流电，即可在水平面内产生一个旋转磁场ω，从而带动分子信道101中的金属镍棒转动，该转动的金属镍棒可以作为微型搅拌器在分子信道101中增强体液分子的
扩散，从而实现加快分子信道101中体液分子的传播速度的目的。
68.示例性地，可以通过改变旋转磁场的旋转频率来控制磁控微米元件的旋转速率，从而改变流体的流速。例如，旋转磁场的旋转频率的取值范围为0～200赫兹(hz)，旋转磁场的磁场感应强度为0～100毫特斯拉(mt)。磁控微米元件的旋转而带动的流体流速可以从0提高到约10mm/s(毫米每秒)。因此，信息分子(即体液分子)在分子信道101中的扩散速率加快，急剧地缩短了信息分子到达接收机(即分子传感器102)的时间。信息分子的传递时间可以从30min(分钟)缩短到1s(秒)内，从而实现了iobnt器件在微区环境中对分子信息的快速识别和实时传输。利于实现未来6g体域网对人体生理信息的精准、实时监测。
69.由以上的描述可以得知，本技术实施例在微电子集成设备的分子信道中设置多个尺寸为微米级的磁控微米元件，该磁控微米元件用于加快分子信道中体液分子的传播速度，从而可以使得体液分子能够快速被分子传感器识别，并将分子信息经无线通信单元发射至体外接收设备，实现了分子通信和无线通信的融合，从而可以实现分子信息的无线传输，且传输时延小，利于满足微区环境中分子信息的快速识别和实时传输的要求。
70.下面结合应用实施例进行具体说明：
71.应用实施例一
72.本应用实施例中，使用亚铁血红素为信息分子，其可以作为胃肠道出血的信号分子。采用亚铁血红素敏感的纳米荧光传感器为分子信息的接收机(即分子传感器102)，将分子信息转换为光信号。当接收机处的信息分子浓度足够高时，在光电探测器103上才能引起明显的光电流变化。将分子信道设计为长宽为5mm
×
5mm的正方形截面，信息分子依靠发射机和接收机两端的浓度梯度差进行自由扩散。初始浓度为500ppm(parts per million，百万分比)，接收机检测极限浓度为32.5ppm，扩散系数为1.6
×
10-9
m2/s。通过稀物质传递模拟软件如comsol、fluent等能够模拟信息分子的扩散过程和扩散时间，结果如图5所示，接收机处信息分子浓度达到32.5ppm需要36min。
73.应用实施例二
74.在应用实施例一的基础上，在分子信道101中加入约10000个ni微米棒，并将微电子集成设备100置于三维亥姆霍兹线圈300中。施加旋转磁场大小为5mt，频率为30hz，引起的流体流动速率大约为2mm/s。模拟结果如图6所示，接收机处信息分子浓度达到32.5ppm仅需要2.2s，相对应用实施例1的传输时间缩短了近1000倍。
75.应用实施例三
76.在应用实施例一的基础上，在分子信道101中加入约10000个ni微米棒，并将微电子集成设备100置于三维亥姆霍兹线圈300中。施加旋转磁场大小为5mt，旋转频率为80hz，引起的流体流动速率大约为5mm/s。模拟结果如图7所示，接收机处信息分子浓度达到32.5ppm时需要0.9s。
77.需要说明的是：本技术实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。
78.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。