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引言
- s) j2 E) X M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。
# q4 x; i" }6 R. Z/ O3 Z1 R
+ g- B: X" G1 H" O1 J近年來(lái),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]。
. \6 Z/ [+ I" `7 g% X
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2 s) V% \. h, e0 FHPCAW傳感器設(shè)計(jì)0 t3 v5 p1 N/ n: |- {( N
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。, t ]; z* Y+ \: A
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# r x0 H! {" Z3 j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。
- z& ~7 e# x3 l$ I
& n7 d- g, u: j4 K bHPCAW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
7 V- U9 M2 ?9 P" Q( P[/ol]1 J0 u' ]2 o S6 S2 g1 x
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。% k* x6 ^" s) U( e _
2 |+ C, K$ }! s8 ?
工作原理
+ p: k- A5 T1 F& U kHPCAW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。
. Q7 N3 M% b M0 b) Q+ a7 n: ^4 m8 D0 P+ x- D4 h- U0 d) U
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5 |' x$ `) G# y0 z* d
[/ol]
# P/ G: ?9 @) Y3 b* R s優(yōu)化和性能評(píng)估9 d' [; d+ U0 W& o/ d s. F
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:
" g+ g5 l/ n U1 k& @; e4 e" e: u1 t2 l
1. 孔徑直徑(AD):
: S. i; f( {" }3 ^( o6 y* u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(guò)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。9 N5 i R+ T r; y) ?6 t; T
5 S! O9 T/ `) r5 Q D/ r
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, L8 L) A& m4 M$ {圖2:不同孔徑直徑(AD)的傳輸譜。5 n; O* I/ Y- j4 c9 C# w
' y7 N$ ]8 l+ y# k h) p/ Q6 y9 ^2 g2. SiO2寬度(WSiO2):1 v7 m9 Y0 F; G( H$ R& N
SiO2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。! @! F9 I) x) z. w2 l
; S! W4 y+ t8 ]! X& W: D( |
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0 Q6 l: z' P3 p# x$ U- u圖3:不同SiO2寬度(WSiO2)的傳輸譜。/ w6 v2 V# h$ i7 L" r
% O5 n3 F$ V# ]
3. 多孔硅寬度(Wp-Si):
" {6 }! U- i- k: S+ l9 b i* qp-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。
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) m/ L. H1 N" R8 K+ O- h4 S
圖4:不同p-Si寬度(Wp-Si)的傳輸譜。! G- s1 [$ _8 e% h8 Y4 g
+ N+ i" Y `' r9 I9 c多孔硅的孔隙率& K" k/ x$ n9 c2 K/ J( {
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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4 T$ c% g: y) |- o+ g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(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。
' ^" a1 l" e% A! y% C( p1 e+ G6 R, r
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& V3 o7 X6 y, Z2 \* `% u6 T) W
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)。' [9 ^3 c; G8 K8 G! g6 W
0 E6 r( H5 u3 u% y; n G9 N優(yōu)化后的HPCAW傳感器實(shí)現(xiàn)了以下性能指標(biāo):
+ P9 i, @$ [# {+ e, B0 g L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^-19 d w2 w+ m* m% L. F- s
+ e2 \3 s, c2 W8 h5 m: {
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。
# [1 z: W( Y l( F+ |" V4 Y* {" n+ @+ q- _+ L+ Y+ ]
制造工藝/ B' o1 ?( @' r+ O
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(guò)程包括以下步驟:% y8 O# \0 z; ~2 H
1. 基底準(zhǔn)備:沉積50 nm Au層,然后是Si. T) m' \/ H" ~7 A7 i; q4 V
2. 多孔硅形成:電化學(xué)或陽(yáng)極蝕刻技術(shù)
; P, Q+ i, U. W9 p* m2 z3. 氮化硅沉積:由聚合物掩模引導(dǎo)
* {* `2 |- m. k& x0 U% ~& l/ o' I2 L4. 等離子體蝕刻:創(chuàng)建精確特征+ A1 A: S3 g7 r* {, H/ Y: d S0 \+ `
5. 熱氧化:形成20 nm SiO2層7 t, Y8 r: ^1 `" G; Y4 o
6. GO和緩沖層沉積:旋涂法5 u6 U0 f9 [) B# _
7. Au層沉積
5 \2 A% d" ~( X9 k" V8. 硬掩模沉積和蝕刻:創(chuàng)建感測(cè)區(qū)域) T+ x0 g$ x4 u2 D0 l3 C, a
# \2 ?# A3 A4 j* ^8 y
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, G1 F( F* h& u2 M/ }7 l' k
圖7:實(shí)現(xiàn)提出的HPCAW生物傳感器的制造步驟。' [5 ?( ]% o9 S# ~# Y1 F
" A* w' s. ^1 W) I優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用
7 n9 f9 P- t! t# q1 B/ SHPCAW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(wú)標(biāo)記檢測(cè):無(wú)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( W% {6 G2 ^3 I
[/ol]
/ i/ e/ ^0 I$ x6 q. C" E0 k* t0 cHPCAW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)
2 Y" N7 L, ~; z6 s9 x[/ol]
- f" h' R4 j2 j5 U0 q9 M4 [# e結(jié)論
6 H# u+ Y9 H0 F6 ~, B! }6 }8 j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(guò)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。
. n0 D; L( }. R; G, s0 ]; K }+ W t6 H9 H' ~0 Q
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(wú)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)。
, t% s- K7 f5 `/ `+ U5 n' B4 ?& L
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(guò)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。% Q4 o2 P8 |+ q( ^$ F
k# u4 j% j' m0 w. z: M4 }
. ? a- l- S% P6 ^- Z參考文獻(xiàn)6 I! Z: X7 P) }' r. z l& `; c% `
[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.
: u/ `: I9 B2 ?# d4 J! P: |2 B9 E. h5 D. f6 v! p; `5 u
- END -( e/ ]: c8 t3 C3 O2 L2 @' Y9 C8 n
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6 h' Y8 I8 u, Z( h) }5 M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(jì)自動(dòng)化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開(kāi)發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)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(jì)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(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動(dòng)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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