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引言. v8 x8 z6 s* f" \8 r
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(shí)時(shí)反饋等局限性。; q H R! C5 y% F8 u# u: W
' {) e1 x0 O' [0 ?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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$ a3 @2 w) E5 j2 d/ G7 vHPCAW傳感器設(shè)計(jì)
( c3 |8 H; a! M) \ T0 e a XHPCAW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。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,在感測區(qū)域?qū)崿F(xiàn)增強(qiáng)的光物質(zhì)相互作用。; o2 p4 G* a" E# T" T/ n4 x8 F
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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。
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5 W0 A y4 T7 X9 i$ U% p9 UHPCAW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6 s" D* w$ k- Q
[/ol]
0 O/ N: Q- b8 q7 l" c4 h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。
: ~6 ~+ a" S1 S0 `9 s) ^$ O7 j7 V ~
6 r) f8 K7 m' Y0 x. i! ?" ~工作原理
1 O# E2 g$ @7 P2 [4 {6 |HPCAW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。, J0 N$ d4 k# p; s
$ D/ \" Z$ a+ U4 r
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+ y. i8 ~6 t* R5 j4 D5 \
[/ol]
7 D1 I+ [/ ^: |# G4 D優(yōu)化和性能評估/ p, e5 {2 f6 {' z
為實(shí)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:
: y; n3 u6 J1 w% n7 c3 c3 T1 ?/ \; R
1. 孔徑直徑(AD):! s6 M! u9 C2 e8 R
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),由于通過亞波長孔徑的非尋常光學(xué)傳輸(EOT),獲得最大傳輸-5.22 dB。9 U8 Y+ U+ R0 y) d
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圖2:不同孔徑直徑(AD)的傳輸譜。
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( ?* r6 Z i; [, F/ G. b- S0 ~2. SiO2寬度(WSiO2):" H* _6 a, r2 D
SiO2層的寬度影響場限制。發(fā)現(xiàn)寬度為20 nm時(shí),在場限制和有效模式指數(shù)之間提供最佳平衡。
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* v8 Q5 d4 s) H" l7 N圖3:不同SiO2寬度(WSiO2)的傳輸譜。
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3. 多孔硅寬度(Wp-Si):* J' S2 R x& a/ z+ ]- [
p-Si層的寬度影響SiO2層中的場限制。寬度為300 nm時(shí),獲得最高傳輸-4.01 dB。
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圖4:不同p-Si寬度(Wp-Si)的傳輸譜。
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多孔硅的孔隙率
8 ~, U& l0 ~! Q( ~, S2 p/ }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。
* \, J. Y+ \. ], H2 |, Z7 l1 B' ~* {6 A
- `4 L: W$ |0 Y$ x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。, R6 e" X7 A, l$ c3 f
; F0 Z" Q, V9 O' F; h
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; Z) L! f( g) G# X [& T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)。* u; Z1 j, |. V ?* U) Y/ Q! r
7 u5 f3 P( q6 u' z6 S% `$ I
優(yōu)化后的HPCAW傳感器實(shí)現(xiàn)了以下性能指標(biāo):
! B/ e0 R, t- R. d6 L" c/ 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檢測精度(DA):0.018 nm^-1/ _! w3 ?" l. }- O. M8 J
' K! E+ v5 b/ C. w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。) o. y% t X. G0 @9 D6 v& O
% B. e/ C3 R* q制造工藝
B) N( @- R. U: c9 v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:
7 O+ c1 M4 k: y1 t; m; ]# C1. 基底準(zhǔn)備:沉積50 nm Au層,然后是Si
& l& U' j/ t z2. 多孔硅形成:電化學(xué)或陽極蝕刻技術(shù)
" ~0 S7 D1 H5 ?3. 氮化硅沉積:由聚合物掩模引導(dǎo), D0 s2 q8 c6 ]8 i1 U
4. 等離子體蝕刻:創(chuàng)建精確特征; Z! i: G# D! G
5. 熱氧化:形成20 nm SiO2層
! t7 m3 b' X# ?6. GO和緩沖層沉積:旋涂法
" a+ A7 @/ D+ b5 h9 i! `7. Au層沉積
' c, | Y1 T8 I k5 p, R. @8. 硬掩模沉積和蝕刻:創(chuàng)建感測區(qū)域
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圖7:實(shí)現(xiàn)提出的HPCAW生物傳感器的制造步驟。" y% ~8 C: r" m
) g+ K8 e9 c( a' u8 g
優(yōu)勢和應(yīng)用
5 l8 f" G- T: t$ LHPCAW傳感器相比傳統(tǒng)血糖感測方法具有幾個(gè)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(shí)時(shí)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, |3 b' Z- h8 t' J3 ?* C- H
[/ol]) N8 @. O5 _0 m3 o
HPCAW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(shí)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% }) v Y3 b( X5 N3 `8 [
[/ol]
' R9 P7 ~% Q' L' A4 `結(jié)論
2 L' e% o0 d( R! \: e7 B; O0 A9 Y% R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(shí)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(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。- l3 d* {5 W( V4 K8 O3 u+ \( }5 ^+ G
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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(shí)現(xiàn)連續(xù)血糖監(jiān)測。
+ e) x5 Y% v1 y0 U
3 e% O8 ]' o9 ?' r/ b% n( 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,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。
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參考文獻(xiàn)
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