基于300 MHz数字锁相放大器的高带宽低相位漂移微流控检测系统

研究人员针对高频微流控检测中信号噪声干扰难题，开发了带宽达300 MHz、采样率1 GHz的数字锁相放大器（LIA），实现了聚苯乙烯（Ps）微球（0.0178219°）与酵母细胞（-0.0115°）的高信噪比（SNR>29 dB）相位检测，系统精度较现有设备提升23%，为细胞阻抗研究和疾病诊断提供了新工具。

　　

在生物医学和化学分析领域，微流控技术凭借其精准的流体操控能力，已成为疾病诊断和药物筛选的重要工具。然而，随着检测频率向数百MHz迈进，传统低频检测技术面临严峻挑战：高频信号易被噪声淹没，细胞阻抗信息难以精准捕获。尤其当信号频率超过MHz时，细胞膜电容的屏蔽效应减弱，胞内物质阻抗特征开始显现，这为研究细胞内部状态提供了新窗口。但现有锁相放大器（Lock-in Amplifier, LIA）带宽多局限在1 MHz以下，而瑞士苏黎世仪器的高端设备（如8.5 GHz的SHFLI）虽性能卓越，却价格高昂。如何开发兼具高带宽、低噪声且成本可控的检测系统，成为突破技术瓶颈的关键。

中山大学电子与信息技术学院的研究团队在《Sensors and Actuators A: Physical》发表论文，提出了一种基于数字锁相放大器的创新微流控检测系统。该系统通过自研的300 MHz带宽、1 GHz采样率数字LIA，结合RLC谐振电路，实现了对微弱电流信号相位信息的高精度解析。研究团队首先建立了基于麦克斯韦混合理论的微流控等效电路模型，定量分析了细胞与聚苯乙烯（Ps）颗粒的电学特性差异。实验系统由注射泵、微流控检测电路和自研LIA三部分组成，通过串联电感提升灵敏度，最终在400-1000 μm/s流速下成功区分Ps微球（相位0.0178219°，SNR 32.98 dB）与酵母细胞（相位-0.0115°，SNR 29.17 dB），测量精度较现有设备提升23%。

关键技术方法
研究采用高频LC谐振电路增强信号，通过自研数字LIA实现相干解调，其等效输入噪声低至2.5 nV/√Hz。微流控芯片检测频段覆盖数百MHz，利用相位信息定量分析颗粒电导率差异，并通过串联电感优化信噪比。

研究结果

1. 基础分析：构建了微流控系统的等效电路模型，理论验证了高频下胞内阻抗的检测可行性。
2. 方法验证：实验系统成功提取了Ps微球与酵母细胞的相位差异，信噪比显著优于传统设备。
3. 灵敏度提升：串联电感设计使系统检测限降低，相位分辨率达0.001°量级。

结论与意义
该研究不仅革新了RLC谐振结构的信号处理方案，更首次将数字LIA技术应用于高频微流控检测，为单细胞阻抗谱分析和疾病标志物筛查提供了新范式。团队开发的低成本、高性能系统，有望推动高频检测技术在POCT（即时检验）和细胞力学研究中的普及。作者Hang Yang等人强调，该系统可扩展至细菌检测和纳米颗粒分析领域，其模块化设计也为后续集成化仪器开发奠定了基础。