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IEEE Sensors Journal | 混合等離子體圓形孔徑波導(dǎo)用于血糖感測(cè)

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發(fā)表于 2024-9-20 08:00:00 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎(jiǎng)勵(lì) |倒序?yàn)g覽 |閱讀模式
引言
0 X. x: _, M5 k: j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。5 m  `  z6 u& l# s* l4 B

  |$ O7 y2 G( F$ t' Q* ^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]。* b6 ]) W  c( Z

/ a/ }# h6 ^4 J) S/ Y3 R# T
4 `$ @" D; ?9 D; i* x
) l% X" ~4 t9 ~# D: ^4 f2 w& q

2 m8 r2 x5 A( v9 c9 I  y1 J# M) B3 FHPCAW傳感器設(shè)計(jì)
$ P% f6 N) Y% ]5 f* W% p8 r2 dHPCAW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。
; {) ]: J" }0 S5 |) L6 z& o2 x6 S* V% I+ v6 ~5 u/ H+ I

, O, M. e+ l9 x( ~) S# d% C7 Y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。
3 T2 ]/ [0 O4 @" X* @, n! z4 B. i6 h9 E8 }5 X' F4 X
HPCAW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
    % t5 L6 P( c7 t7 s/ u& R, f; p[/ol]1 I5 n  n3 U: w$ a
    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。
    3 e4 c- g$ Q! v, Q+ M- d! B( Y
    9 V* Q+ A. c8 ]9 f; F  m8 Y  c工作原理
    7 ~% Z, D0 U6 c# V( \* 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(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。" N/ t* E1 s) Y# \: ]

    + G5 r% a0 h+ a  [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
    1 A$ s- @; |. g1 c( R0 Q7 @9 Z4 a[/ol]2 f4 J* h) b0 a  J  a
    優(yōu)化和性能評(píng)估' h. _: Y0 z9 e8 ?# z
    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:
    0 j" C% ^; K: o5 ]! W; g6 X, _1 W& d3 i; N& }$ o2 J' w
    1. 孔徑直徑(AD):
    , y9 q/ {( x( X* _& t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 z$ V& e- N1 k% O" M% ]
    % Y8 ]2 m* m* j4 P. _3 _* i. o! @ 0 t3 E: u& z6 F
    圖2:不同孔徑直徑(AD)的傳輸譜。0 F- R. w* \2 G% h% _6 C+ \

    3 ]6 U2 o% o/ F, h2. SiO2寬度(WSiO2):- C/ l4 y- W: p0 A$ }$ f3 \" B3 Q
    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。
    4 v8 N& ~8 i. x. Y1 I5 n  P3 ?9 _% X

      p# d: U/ k9 x  [0 S5 g! S圖3:不同SiO2寬度(WSiO2)的傳輸譜。
    % c# |& M  q# Y( N+ ?$ f' m% `5 @2 @1 o. ~* s! v+ \, J- {, }
    3. 多孔硅寬度(Wp-Si):
    7 C" i/ V! D  j; z4 v. Ip-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。
    7 o& c; M) ^. v- z& u/ m+ ?& z. k# S* F6 ^2 l; h3 V  W
    2 [7 Q+ H1 o: m9 |) h8 `
    圖4:不同p-Si寬度(Wp-Si)的傳輸譜。
    0 U6 j2 v: X2 E5 g( ]0 \- U$ `9 _2 F. {. J
    多孔硅的孔隙率  ~, d, c# T9 x' S
    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)。7 w" b2 A, Y3 z" s1 [
    ) |+ j  T7 v( T% }7 ?

    / E( I4 ~, T. `/ b' ]( M% ]5 I: b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。
    , l6 x. E# v" t/ ^3 u7 _. I6 y  i' o. U
    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。$ e7 R# Y3 Y2 o1 {8 H5 m$ C

    : r% e9 f5 K7 t * M! W+ }( c1 a1 S/ |
    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)。2 U7 @4 S7 X& c9 D% v

    8 _+ {2 h8 n& f) p7 {( e. d% }- I優(yōu)化后的HPCAW傳感器實(shí)現(xiàn)了以下性能指標(biāo):
    : w; a  [( W- s% \7 g& K
  • 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
    0 h/ j1 `, d5 m
    $ {. n9 n. d: b- q. }) D: h
    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。
    + h6 N3 d# t# C- l+ v0 a+ C
    % F1 J" |9 T" D# h+ {制造工藝% r+ z/ d+ w% r( n1 m
    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:
    , x" r, Z  M: X/ E1. 基底準(zhǔn)備:沉積50 nm Au層,然后是Si) M8 y9 h) j5 k  b$ v& x
    2. 多孔硅形成:電化學(xué)或陽(yáng)極蝕刻技術(shù)
    / {% W8 E9 s* R; b9 U$ \# w4 h3. 氮化硅沉積:由聚合物掩模引導(dǎo)
    ( I! @8 {/ w7 g4. 等離子體蝕刻:創(chuàng)建精確特征4 u0 }7 f' D8 _4 T) y) L+ c
    5. 熱氧化:形成20 nm SiO2層4 e  L# d7 @) E% U
    6. GO和緩沖層沉積:旋涂法
    ; u5 o7 w5 m% t7 U! A7. Au層沉積% Z5 V* {  b% @4 X4 z5 s
    8. 硬掩模沉積和蝕刻:創(chuàng)建感測(cè)區(qū)域# y) ?! R4 q0 R
    ; G' N! x! `7 y* }: c
    6 H4 g" d( G/ v
    圖7:實(shí)現(xiàn)提出的HPCAW生物傳感器的制造步驟。7 h, o2 Q8 X+ c3 g0 z0 j7 c0 h6 j  }) `* Q

    2 ~' w: H, O9 X1 B" _  ?& G優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用
    ( F; s2 r  o7 A) H% oHPCAW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
    2 B, d% J6 j) g8 D2 u9 [) H[/ol]& Y5 k: N; i( D9 d; d. e9 ?
    HPCAW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 U0 m$ t6 l$ |+ @  O
    [/ol]$ ~4 E  Q, Y2 v( X' q, [
    結(jié)論
    & K" s! ~$ P  f  h' e- w% ?0 L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。
    ! x" g6 T. i. {; J: q2 F) ]7 Q& _  ]) w( y6 z3 ~* M! B) }5 S8 v1 J& @7 M
    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)。
    7 A' N' g) r( ^. d5 q# F7 _% ^% B& D. R7 Q9 B4 g' ~
    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。0 G+ t, h5 W' h5 l
    8 K( A7 [+ W" Y) P* A) h
    , Z) r* F# }1 V1 c- A( j$ T
    參考文獻(xiàn)
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    / y) x- j4 ?: y' X( Y, B7 \9 u& q
    . ]9 |; d3 t: Z軟件申請(qǐng)我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請(qǐng)?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無(wú)論是研究還是商業(yè)應(yīng)用,PIC Studio都可提升您的工作效能。/ ]! R" W. o2 }5 i6 d7 Z* `
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    4 Y# }/ p  U# o9 p- ]; _
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