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引言
% H$ @; |8 x* 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)測方法,包括指尖采血測試和連續(xù)血糖監(jiān)測(CGM)系統(tǒng),通常存在侵入性、不適感和缺乏實時反饋等局限性。
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5 Z/ y4 S8 g; q+ g, j' n1 i近年來,基于等離子體的感測技術(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)的新型血糖感測方法[1]。
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HPCAW傳感器設(shè)計
% V0 i4 @/ F5 l2 j* \/ }HPCAW傳感器結(jié)合了等離子體波導(dǎo)和圓形孔徑的獨特光學(xué)特性,實現(xiàn)了更高的靈敏度和特異性的葡萄糖檢測。該結(jié)構(gòu)設(shè)計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,在感測區(qū)域?qū)崿F(xiàn)增強(qiáng)的光物質(zhì)相互作用。5 q8 v. K" R. m. E' V
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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。5 |5 `7 R' q* v; D3 G' p
+ c5 I0 O6 e9 s/ ^
HPCAW傳感器由多個層組成: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
+ z$ g: x5 z" P3 z[/ol]
2 E7 m4 X& X8 X+ A' x" ~圓形納米孔徑作為感測區(qū)域,電磁場與葡萄糖分子在此處發(fā)生相互作用。& I2 i5 y# P0 r% X- Y% Z2 Q4 N
* M9 {* n. G0 N- u( X+ F# ^工作原理
& g5 x! j# V7 O: {' {! ~- R) eHPCAW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,在金屬-電介質(zhì)界面激發(fā)SPPs。感測區(qū)域中葡萄糖分子的存在改變了有效折射率,導(dǎo)致共振波長發(fā)生偏移。8 G* a9 U( x, s& w4 ]
9 p n$ y$ O5 O8 Y/ T傳感器的性能由幾個關(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精度(DA):與共振峰的半高全寬(FWHM)成反比. i9 i- W! j0 G# r' r2 ]( l) _
[/ol]: \* J# Q/ O) A
優(yōu)化和性能評估
& h- S! ` N6 C/ G3 Z' r, H, ~4 O為實現(xiàn)最佳性能,對HPCAW傳感器的各種結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了精細(xì)調(diào)整:# A# p! U9 d" x; C7 ]; C' `$ Y
3 H4 p. m; H) [' }1 ]4 @1. 孔徑直徑(AD):
- F" p0 l: ]% M& }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,由于通過亞波長孔徑的非尋常光學(xué)傳輸(EOT),獲得最大傳輸-5.22 dB。
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, h- ]/ |& @6 R/ i' i. Q圖2:不同孔徑直徑(AD)的傳輸譜。
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/ K; ?9 {% x! j2. SiO2寬度(WSiO2):
/ a1 r# H$ D- Q3 \) USiO2層的寬度影響場限制。發(fā)現(xiàn)寬度為20 nm時,在場限制和有效模式指數(shù)之間提供最佳平衡。
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圖3:不同SiO2寬度(WSiO2)的傳輸譜。- g" i- `; I- L1 @9 U
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3. 多孔硅寬度(Wp-Si):- s& Y4 _8 \- o8 N% u& `: y$ R
p-Si層的寬度影響SiO2層中的場限制。寬度為300 nm時,獲得最高傳輸-4.01 dB。
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8 r1 `) n4 I0 b9 A; }% `圖4:不同p-Si寬度(Wp-Si)的傳輸譜。+ M# I6 ]1 [! w# e% Z; {, j
S" ^: j; {: u3 }多孔硅的孔隙率
, q _9 X {2 \8 Y( `p-Si層的孔隙率對傳感器的性能起著關(guān)鍵作用。對不同的p-Si孔隙率(5%、15%、25%和35%)進(jìn)行模擬,評估傳感器對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。
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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的獨特屬性,如大表面積、生物相容性、可調(diào)孔徑和易于功能化。/ g! f0 u7 i3 `* N0 C( H
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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)。- K- K* ?# f# j6 o7 W
8 ~( b6 l( `/ z; G3 t5 V5 s優(yōu)化后的HPCAW傳感器實現(xiàn)了以下性能指標(biāo):8 q, Q% u% h" T6 c+ m& g( Z/ v
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檢測精度(DA):0.018 nm^-1
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這些數(shù)值表明HPCAW傳感器相比傳統(tǒng)血糖感測技術(shù)具有更優(yōu)越的性能。
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制造工藝; y& G) ]5 p5 g5 c
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:
9 @* V4 ^2 B- Z9 T1. 基底準(zhǔn)備:沉積50 nm Au層,然后是Si" w2 k Y/ `/ D/ P$ |1 w
2. 多孔硅形成:電化學(xué)或陽極蝕刻技術(shù)
, P, ?! R& ^: k& |( ~. ?; I( [! X3. 氮化硅沉積:由聚合物掩模引導(dǎo)
9 H) ~$ {( L0 K% J) Y( d4. 等離子體蝕刻:創(chuàng)建精確特征
$ E2 F$ |4 p* z; H `& Y/ L5. 熱氧化:形成20 nm SiO2層
2 A, { u6 {- U- j) z% D1 s3 y6. GO和緩沖層沉積:旋涂法2 g2 G3 u2 M! [) Q) i
7. Au層沉積
! z' V9 H& N7 L9 @. U' c8. 硬掩模沉積和蝕刻:創(chuàng)建感測區(qū)域- e- C7 c* F! L9 U8 J+ Y# C: M
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圖7:實現(xiàn)提出的HPCAW生物傳感器的制造步驟。
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, P2 s8 G: s+ U$ a& j8 }# T6 E優(yōu)勢和應(yīng)用( U% V) b7 \: ]$ G) e4 z+ a
HPCAW傳感器相比傳統(tǒng)血糖感測方法具有幾個優(yōu)勢:無標(biāo)記檢測: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)確檢測葡萄糖濃度實時監(jiān)測:具有連續(xù)血糖監(jiān)測潛力微創(chuàng):與指尖采血測試相比,提高了患者舒適度% ?. Q+ V. S" [+ r
[/ol]
9 [2 D: F2 R) J3 XHPCAW傳感器有潛在的應(yīng)用:糖尿病管理:連續(xù)監(jiān)測血糖水平即時診斷:在臨床環(huán)境中快速準(zhǔn)確測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期血糖監(jiān)測0 @/ a# A/ [% X4 F
[/ol]
6 P* Z' G1 y8 E6 R" J結(jié)論# P! c2 ^5 q$ Y8 C
基于HPCAW的血糖傳感器為推進(jìn)血糖感測技術(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,該傳感器實現(xiàn)了增強(qiáng)的靈敏度、選擇性和與微型化感測平臺的兼容性。優(yōu)化設(shè)計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。
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HPCAW結(jié)構(gòu)的獨特光學(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)方式實現(xiàn)連續(xù)血糖監(jiān)測。
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' M7 v! s9 H2 T5 V) @3 W1 g6 D隨著該領(lǐng)域研究的進(jìn)展,預(yù)計靈敏度、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、實時的血糖監(jiān)測,同時改善患者舒適度和便利性,從而徹底改變糖尿病管理方式。 D+ X$ v5 ]: y2 n& Z
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參考文獻(xiàn)
2 t/ [/ o- d# E! d( @6 O[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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深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計自動化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
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