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引言0 l3 W" j! p& N# B3 t
糖尿病是慢性代謝疾病,其特征是血糖水平異常。有效管理糖尿病需要頻繁監(jiān)測(cè)血糖濃度,以預(yù)防高血糖和低血糖等并發(fā)癥。傳統(tǒng)的血糖監(jiān)測(cè)方法,包括指尖采血測(cè)試和連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)(CGM)系統(tǒng),通常存在侵入性、不適感和缺乏實(shí)時(shí)反饋等局限性。) T- r& j$ E0 w; F
% `: V" Z2 K% L) c' }
近年來,基于等離子體的感測(cè)技術(shù)因其高靈敏度、特異性和與微型化設(shè)備的兼容性,成為血糖感測(cè)的有潛力的候選方案。本文介紹基于混合等離子體圓形孔徑波導(dǎo)(HPCAW)結(jié)構(gòu)的新型血糖感測(cè)方法[1]。# S$ X, T$ y1 y1 U
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: s0 Q# p" H. {
* z, [3 N: R c7 H1 a3 {HPCAW傳感器設(shè)計(jì)0 f) q) m; G, B, v- T! A& y
HPCAW傳感器結(jié)合了等離子體波導(dǎo)和圓形孔徑的獨(dú)特光學(xué)特性,實(shí)現(xiàn)了更高的靈敏度和特異性的葡萄糖檢測(cè)。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)用于有效限制和傳播表面等離子體極化激元(SPPs)沿圓形孔徑,在感測(cè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)增強(qiáng)的光物質(zhì)相互作用。
' ^% w+ x" B# Z' r* J2 S5 J
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' Q8 ]" q" O% N1 d! R+ Z' ?圖1:提出的圓形納米孔徑人體血糖生物傳感器的三維視圖和橫截面視圖。
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; J9 v, V8 q# o% @1 F9 P' g& iHPCAW傳感器由多個(gè)層組成:金(Au)層:作為等離子體材料多孔硅(p-Si)層:增強(qiáng)光限制二氧化硅(SiO2)層:作為低折射率槽氧化石墨烯(GO)層:改善化學(xué)和生物特性緩沖層:防止氧化和與樣品直接接觸
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圓形納米孔徑作為感測(cè)區(qū)域,電磁場(chǎng)與葡萄糖分子在此處發(fā)生相互作用。4 q3 N& @( @8 E! [& Y* D5 d$ x
' A3 K6 i5 \/ w3 t2 c( y: D1 Q工作原理
# T- w6 F* a& @7 i; I; BHPCAW傳感器的工作原理基于表面等離子體共振(SPR)現(xiàn)象。當(dāng)光入射到傳感器上時(shí),在金屬-電介質(zhì)界面激發(fā)SPPs。感測(cè)區(qū)域中葡萄糖分子的存在改變了有效折射率,導(dǎo)致共振波長(zhǎng)發(fā)生偏移。# v$ v& p4 m5 {
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傳感器的性能由幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)表征:靈敏度(SBG):每單位折射率變化引起的共振波長(zhǎng)偏移品質(zhì)因數(shù)(FOM):傳感器整體性能的度量品質(zhì)因子(Q):表示共振峰的銳度檢測(cè)精度(DA):與共振峰的半高全寬(FWHM)成反比
. G5 Y/ ]. U7 R" o. ^[/ol]4 R) t P; A$ p3 ~4 [
優(yōu)化和性能評(píng)估! ?8 B8 p. Q6 ~- A* S7 `; m- J
為實(shí)現(xiàn)最佳性能,對(duì)HPCAW傳感器的各種結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了精細(xì)調(diào)整:- B" E. l& I# r& W- U' U
5 Y; X6 `6 C) [: L+ I1 e. Y1. 孔徑直徑(AD):) ?) Z5 W/ ]) R0 a5 m8 O4 w3 M, I5 e; ]2 V
圓形納米孔徑的直徑影響光限制和傳輸特性。模擬顯示,直徑為100 nm時(shí),由于通過亞波長(zhǎng)孔徑的非尋常光學(xué)傳輸(EOT),獲得最大傳輸-5.22 dB。
" L/ Y8 y* Q3 m7 {# ~6 a% e: E# [! Z& }8 X
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4 y+ d; C8 N B! n圖2:不同孔徑直徑(AD)的傳輸譜。
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2. SiO2寬度(WSiO2):
! T& W' ]" N3 s0 P8 R6 ISiO2層的寬度影響場(chǎng)限制。發(fā)現(xiàn)寬度為20 nm時(shí),在場(chǎng)限制和有效模式指數(shù)之間提供最佳平衡。1 u* d5 J5 ?: _& F6 ^8 R7 x2 p
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# S% N+ t, [. q2 O7 V圖3:不同SiO2寬度(WSiO2)的傳輸譜。3 {& O3 b/ Z* \ V( g! W
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3. 多孔硅寬度(Wp-Si):
5 g' v: U) n% d3 q0 d5 Hp-Si層的寬度影響SiO2層中的場(chǎng)限制。寬度為300 nm時(shí),獲得最高傳輸-4.01 dB。/ _$ `" I& Z( E
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9 i$ H X9 f9 H7 Y3 {
圖4:不同p-Si寬度(Wp-Si)的傳輸譜。. G' X* A: m/ h, E
9 e3 h3 k4 M0 K/ k* a/ J多孔硅的孔隙率4 F5 I1 n* Q) S7 p
p-Si層的孔隙率對(duì)傳感器的性能起著關(guān)鍵作用。對(duì)不同的p-Si孔隙率(5%、15%、25%和35%)進(jìn)行模擬,評(píng)估傳感器對(duì)各種葡萄糖濃度的響應(yīng)。
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圖5:不同p-Si孔隙率下,提出的生物傳感器在不同血糖濃度下的傳輸圖。& S0 p( ]. C; d7 |# V! Y( }8 h7 \
1 C* l- @) ?# d! H6 Y
隨著p-Si孔隙率的增加,傳感器的靈敏度(SBG)也增加。這是由于p-Si的獨(dú)特屬性,如大表面積、生物相容性、可調(diào)孔徑和易于功能化。4 E5 b8 e/ v3 p
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圖6:血糖生物傳感器的設(shè)備參數(shù)與p-Si層孔隙率的關(guān)系。(a)靈敏度(SBG)和FOM。(b)DA和品質(zhì)因子(Q)。
: V, W# l ~" y/ e& M$ H! B+ Y
. Z) h* {) n; v% K; X R優(yōu)化后的HPCAW傳感器實(shí)現(xiàn)了以下性能指標(biāo):8 t' `: V }" K9 g
靈敏度(SBG):391.72 nm/RIU品質(zhì)因數(shù)(FOM):7.08 RIU^-1品質(zhì)因子(Q):28.71檢測(cè)精度(DA):0.018 nm^-1
2 z' s3 }/ E5 o- I' S0 r0 m& J i. w; f- \# k: L! B
這些數(shù)值表明HPCAW傳感器相比傳統(tǒng)血糖感測(cè)技術(shù)具有更優(yōu)越的性能。
- U! |, G6 l/ C+ P; m% u
0 M8 z9 N% ] e1 X& T制造工藝9 ?7 }# S6 F: ^7 @# \' L
基于HPCAW的血糖生物傳感器可以使用最先進(jìn)的CMOS技術(shù)制造。制造過程包括以下步驟:
1 i1 o' H/ P P1. 基底準(zhǔn)備:沉積50 nm Au層,然后是Si
' { P! m6 b" \3 i8 L+ i2. 多孔硅形成:電化學(xué)或陽(yáng)極蝕刻技術(shù)
* K) L( U1 C6 {$ R, e3. 氮化硅沉積:由聚合物掩模引導(dǎo)% N S& ~* m# ~8 T+ v& t
4. 等離子體蝕刻:創(chuàng)建精確特征. w. G$ I9 [( n. x
5. 熱氧化:形成20 nm SiO2層2 {# x* _8 z& J2 ]* r& c. L
6. GO和緩沖層沉積:旋涂法% ]. U+ g$ K3 d3 f$ x6 D/ e' k
7. Au層沉積
0 @+ I7 i2 |5 g2 i8. 硬掩模沉積和蝕刻:創(chuàng)建感測(cè)區(qū)域1 L5 u" ^8 A( R }2 I
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圖7:實(shí)現(xiàn)提出的HPCAW生物傳感器的制造步驟。
/ U) v E( T# }. w- M; X/ H7 L3 x
# |( F1 i7 q0 u0 a優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用
' P0 T0 c/ ^2 L0 \HPCAW傳感器相比傳統(tǒng)血糖感測(cè)方法具有幾個(gè)優(yōu)勢(shì):無標(biāo)記檢測(cè):無需化學(xué)標(biāo)記或標(biāo)簽緊湊結(jié)構(gòu):適合集成到可穿戴設(shè)備或植入式傳感器中高靈敏度和選擇性:準(zhǔn)確檢測(cè)葡萄糖濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè):具有連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)潛力微創(chuàng):與指尖采血測(cè)試相比,提高了患者舒適度' H! l! R9 e8 P/ n0 l1 }3 Q
[/ol]
# M- \; {) r* t! ]5 ?8 PHPCAW傳感器有潛在的應(yīng)用:糖尿病管理:連續(xù)監(jiān)測(cè)血糖水平即時(shí)診斷:在臨床環(huán)境中快速準(zhǔn)確測(cè)量血糖可穿戴健康設(shè)備:集成到智能手表或健身追蹤器中植入式傳感器:為糖尿病患者提供長(zhǎng)期血糖監(jiān)測(cè)+ @+ v4 l0 r+ I! c% r5 {
[/ol]
3 u; }; A9 Y; r' s結(jié)論% l% Z5 i9 [6 X$ s& ~
基于HPCAW的血糖傳感器為推進(jìn)血糖感測(cè)技術(shù)提供了有潛力的方法。通過結(jié)合等離子體波導(dǎo)和圓形孔徑,該傳感器實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)的靈敏度、選擇性和與微型化感測(cè)平臺(tái)的兼容性。優(yōu)化設(shè)計(jì)在廣泛的血糖濃度范圍(0-200 mg/dL)內(nèi)展示了葡萄糖濃度與共振譜偏移之間的直接關(guān)系。
5 N# j6 Z, `& k3 P: |9 Y$ [: l& V( Y
HPCAW結(jié)構(gòu)的獨(dú)特光學(xué)特性,如高效光限制、非尋常光學(xué)傳輸和增強(qiáng)的光物質(zhì)相互作用,為其相比傳統(tǒng)感測(cè)技術(shù)的優(yōu)越性能做出了貢獻(xiàn)。HPCAW傳感器的緊湊結(jié)構(gòu)、無標(biāo)記檢測(cè)和可擴(kuò)展性使其非常適合集成到可穿戴設(shè)備或植入式傳感器中,以微創(chuàng)方式實(shí)現(xiàn)連續(xù)血糖監(jiān)測(cè)。
& D: }* T ^7 V3 w2 n0 A
2 O8 a- P8 U; N# B/ F隨著該領(lǐng)域研究的進(jìn)展,預(yù)計(jì)靈敏度、特異性和與現(xiàn)有技術(shù)的集成將進(jìn)一步提高。HPCAW傳感器有潛力通過提供準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的血糖監(jiān)測(cè),同時(shí)改善患者舒適度和便利性,從而徹底改變糖尿病管理方式。
' M, {! r# ^# o. ]% m, |2 g* \1 H% f; x: X1 f
- E" l! ~% o) Q8 u. k參考文獻(xiàn)
, ~' v6 S9 B" [7 x& J[1] S. Vankalkunti, N. K. Singh and M. Singh, "Hybrid Plasmonic Circular Aperture Waveguide for Blood Glucose Sensing," IEEE Sensors Journal, vol. 24, no. 15, pp. 23746-23753, 1 Aug. 2024, doi: 10.1109/JSEN.2024.3409732.
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& x6 y/ `+ A( y2 L `$ K; e轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處,請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息!/ w+ _$ b, i8 _6 W
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