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引言
% @- K1 S. C$ n( u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。
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8 e$ N8 \. P) G& a/ 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]。
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3 C9 ^- }. x0 {" _, F. [( ~
4 D$ R1 x* i% B
: Z8 k% V1 s/ G5 G& @HPCAW傳感器設(shè)計(jì)) G4 j4 d, p2 z2 U
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。3 x' N1 j/ b: z9 E/ b/ S" j
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- e3 v) O3 _: F L# |8 v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。& z2 t* g9 u; \% ~% Z4 ?
' l9 o9 F1 Q$ ~; C8 A
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4 C) m m4 W# h$ O% f
[/ol]
3 X" N Q. n% S6 h" m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。
6 l! m/ e; p% j- B% A5 z* l+ {8 o; z/ G% f) V' Y. w* m5 W
工作原理 G) Q2 R+ ]( R7 k$ M' c7 m& c
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(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。
: ?. p, N7 p3 _ A9 M# n+ P4 d5 O/ \+ S Q- p! T* 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* L( Q& z6 r! m0 ~
[/ol]* R. h, L9 G9 {4 v$ E" o" q4 o/ E
優(yōu)化和性能評(píng)估' I5 Z. M; n& b& @
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:
, T7 v& ^! F* Q. q* J
5 |7 E4 g* W4 v1 v7 C0 _# R& @3 V1. 孔徑直徑(AD):7 s( l% J6 }( J* Z% v* k5 K
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。5 ]5 T. Y( \1 v, k' w
5 ?4 G# o" }0 B1 D0 z6 r) C; F
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) B* h: M; Y1 H+ k+ o圖2:不同孔徑直徑(AD)的傳輸譜。
1 P$ ]! J( s/ e7 Y' L
; g* I: d8 f2 v4 k6 g2. SiO2寬度(WSiO2):4 ~) c' U2 \4 H! h
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。7 a' ~' g: U/ ?( I: u/ L
9 v z8 q, \% C
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7 [1 V; a! v3 d/ G5 h1 r/ u
圖3:不同SiO2寬度(WSiO2)的傳輸譜。
1 n9 C' s. P( O$ O
5 S; B4 r& ^6 a/ p5 m8 U3. 多孔硅寬度(Wp-Si):
3 C$ g) T" x/ n, q2 E ^p-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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- }. O. a {3 z& Z6 j1 Q
圖4:不同p-Si寬度(Wp-Si)的傳輸譜。
7 {% K2 K+ I2 M" h; M
& k8 G% N* U% ?7 a" Z% Z4 H* O多孔硅的孔隙率0 D( m/ a, P3 a. Y; n
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)。
' J' a' g- v" N. U+ ^8 g$ q, T, N" m
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( l4 u5 e! R/ W& D: d3 U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。
& s i U8 `# K) V9 l I. {1 c0 I8 n1 x L( p8 P& f
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。
' e/ c9 b% F8 a2 P" T7 C1 w" |: Q- z1 b7 T- Q
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& } F; U# f* I( y2 ]) m) C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)。
# o& s1 T/ z, e( B/ Y5 X) k- {' l
優(yōu)化后的HPCAW傳感器實(shí)現(xiàn)了以下性能指標(biāo):
d1 \+ w0 {, `6 g2 ?4 U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
9 _) {5 ^* U; A- W j5 x+ \, x* j
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。
4 M, O+ @& R* P$ J3 a& d! d( U4 v5 ~! r/ q
制造工藝
$ q& v9 g2 \( I& v6 ^7 Z! z) ^* y基于HPCAW的血糖生物傳感器可以使用最先進(jìn)的CMOS技術(shù)制造。制造過(guò)程包括以下步驟:
3 {' t, W" Q1 ~. o+ s* b' D" ?- _1. 基底準(zhǔn)備:沉積50 nm Au層,然后是Si& h) P5 w1 l( ~2 T
2. 多孔硅形成:電化學(xué)或陽(yáng)極蝕刻技術(shù)
- A9 n6 ^" H" r3. 氮化硅沉積:由聚合物掩模引導(dǎo)
8 J" s) q, F4 `) V- d4. 等離子體蝕刻:創(chuàng)建精確特征9 f& T! ^- K9 X
5. 熱氧化:形成20 nm SiO2層
0 |5 I. U3 ~, n! N: j6. GO和緩沖層沉積:旋涂法$ X7 {6 ?$ s; W! m; o# l
7. Au層沉積
& ^! h8 y' q2 E8. 硬掩模沉積和蝕刻:創(chuàng)建感測(cè)區(qū)域' x; g) n- v8 k. s$ c+ b* x
* O4 z9 ?# }' W' m2 Q
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6 g2 ^- \) F T4 i! W圖7:實(shí)現(xiàn)提出的HPCAW生物傳感器的制造步驟。
& q. R* Q8 t+ M w! h; l2 o: E: j/ l" C" p3 n
優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用2 z! P9 ~7 g7 p4 P2 j& i x5 L
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(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9 x$ [, U* O) }+ `
[/ol]7 q( ]; u9 ?3 B- p- w
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)
' O0 O) D6 k% {7 {2 J! d) L[/ol]2 s$ Y, D$ f8 Y0 A2 w2 J# U( ^5 G8 w
結(jié)論
$ H7 r4 ~) A0 _9 Z: y6 `4 `% n# W; ~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。* D3 \5 w" W8 I
6 b, \* E+ Z2 @7 A# y$ O0 ]) nHPCAW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)。
9 d( W w3 L7 n, b) y5 x' G: f' a0 ~, y4 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。" N6 C$ F/ n+ U4 [
* e% ?3 h z5 }+ E! P+ C
; W" W: K: X; U* {參考文獻(xiàn)
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% v- M: V: m! g4 i' u* }歡迎轉(zhuǎn)載+ m7 C% c% s$ D
6 N' D" z, M. d; Q5 V轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處,請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息!: y& p8 b9 M ]: p9 G
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