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引言0 _# y5 ~" V( q* M7 X
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。1 \' n6 r) H* n
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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]。$ k; H" r. w' x
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HPCAW傳感器設(shè)計
# k3 R/ D) `! L: EHPCAW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)增強的光物質(zhì)相互作用。7 i) J: V; ]0 R. p
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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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/ s; c5 V, f1 t4 z: nHPCAW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
& s+ K* {) J1 [[/ol]; X6 g$ e! x5 }. ?% m
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。8 [. a) Y6 H: B6 C" V) j5 A
9 O. S( r% F: D& B m1 F工作原理
: n' o1 |' x w7 n+ Y5 S A& V( v4 A* ZHPCAW傳感器的工作原理基于表面等離子體共振(SPR)現(xiàn)象。當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。
6 m0 N4 ~; P! E5 x
& L& r: w' \+ \/ k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
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優(yōu)化和性能評估
$ {) \9 u6 S; D5 X為實現(xiàn)最佳性能,對HPCAW傳感器的各種結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了精細調(diào)整:
! o& ]! w. j2 Z% G* }3 q5 h% R
* q$ u0 {. m: X. c1 O1. 孔徑直徑(AD):
+ P! Q* K: p+ X3 N7 X9 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。
( q4 e( j" C4 j6 @5 y3 L
. M6 w. G3 b4 k- L4 }5 x
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' N" A! \- U# J4 p* ~' Y8 k5 |9 p圖2:不同孔徑直徑(AD)的傳輸譜。
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2. SiO2寬度(WSiO2):8 ~, B8 P& k! l' Q
SiO2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。
# P8 O: x [& D" C/ ~- n6 C: N5 O, V* u; f
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# z) [& k/ _) P. ~9 s圖3:不同SiO2寬度(WSiO2)的傳輸譜。
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3. 多孔硅寬度(Wp-Si):
. G$ P: a/ S5 E, {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。
& r3 G. r9 c# m: N5 D; G R1 I% a5 O' P
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圖4:不同p-Si寬度(Wp-Si)的傳輸譜。
9 X2 t, a( n- W4 R3 }
0 Q1 I& m. e2 J# u2 R2 c多孔硅的孔隙率
- W/ o: J5 r$ Rp-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。3 S+ v. G* M* ? g& j
: \4 L, ]( v( w
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。" B2 k7 F# s; Y$ P1 W7 C
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1 d& a4 p) z0 @9 n" Y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)。
! Y8 J* m' P4 `+ X: D' W% o2 ]( `4 F) J( t3 V
優(yōu)化后的HPCAW傳感器實現(xiàn)了以下性能指標:4 ^% G' k( m2 Y
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# }7 U) P1 @) `& @0 [% @3 C1 `
) p5 D( i- {9 k" I( t0 \& ~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。
9 N7 s3 e. a1 }* L% u2 U* @7 |2 f* b; ?8 b
制造工藝: o. r' o# |8 k3 e7 U. `
基于HPCAW的血糖生物傳感器可以使用最先進的CMOS技術(shù)制造。制造過程包括以下步驟:. f4 ]" {1 v$ |5 E' U+ [
1. 基底準備:沉積50 nm Au層,然后是Si: ]( Z+ l0 Y* i4 M3 {3 Y+ W
2. 多孔硅形成:電化學(xué)或陽極蝕刻技術(shù)" R& M% @. ^: o6 f( r/ {! F
3. 氮化硅沉積:由聚合物掩模引導(dǎo)
6 R! z B* M; w' \% B2 K4. 等離子體蝕刻:創(chuàng)建精確特征: J$ Z* g0 L# H
5. 熱氧化:形成20 nm SiO2層
! ]2 _5 N* X' h& {8 C8 r; X6 j5 |6. GO和緩沖層沉積:旋涂法
; p* h: T1 j) [5 l7. Au層沉積: p5 D$ N; ~' t: Q# k7 _
8. 硬掩模沉積和蝕刻:創(chuàng)建感測區(qū)域7 M7 [) ?1 P1 N. _' I. S0 l
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6 @) j( s' ^2 Q% }" x圖7:實現(xiàn)提出的HPCAW生物傳感器的制造步驟。
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" H% M+ |2 M2 p* h" q5 {. i2 [優(yōu)勢和應(yīng)用
. V: O: o, a/ b, k) q# SHPCAW傳感器相比傳統(tǒng)血糖感測方法具有幾個優(yōu)勢:無標記檢測:無需化學(xué)標記或標簽緊湊結(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
+ V2 q( d2 q# T5 V[/ol]
$ \: }9 ?0 ~% X4 iHPCAW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
; V6 f/ M! j) l- v- g[/ol]
; y' Y* L% b. `9 l9 D: d( R結(jié)論" n/ s0 q7 h% C! t# M7 k
基于HPCAW的血糖傳感器為推進血糖感測技術(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。HPCAW傳感器的緊湊結(jié)構(gòu)、無標記檢測和可擴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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隨著該領(lǐng)域研究的進展,預(yù)計靈敏度、特異性和與現(xiàn)有技術(shù)的集成將進一步提高。HPCAW傳感器有潛力通過提供準確、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。$ m9 N( g( H" L3 Y2 o" x
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參考文獻
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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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