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

逍遙設(shè)計自動化

引言
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。

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]。


. C$ h8 n- |0 H0 o9 l6 j

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。

  D# V: H$ w0 I$ v' T+ K  [
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。
( V( g' R6 `: I  q1 G
/ 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]
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。

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
" h6 U0 r# T. J: \+ r[/ol]
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
' N" A! \- U# J4 p* ~' Y8 k5 |9 p圖2：不同孔徑直徑（AD）的傳輸譜。
( J9 M7 m3 {- E! k& t
2. SiO2寬度（WSiO2）：
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

# z) [& k/ _) P. ~9 s圖3：不同SiO2寬度（WSiO2）的傳輸譜。
  B9 _0 U+ X8 T; W# O( r2 D
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

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)。
0 a, M$ a- S+ B+ 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。

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。

* Z0 ?- M8 L: E: g5 s
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
優(yōu)化后的HPCAW傳感器實現(xiàn)了以下性能指標：

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

) 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% u
制造工藝
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：
1. 基底準備：沉積50 nm Au層，然后是Si
2. 多孔硅形成：電化學(xué)或陽極蝕刻技術(shù)
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
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
8. 硬掩模沉積和蝕刻：創(chuàng)建感測區(qū)域


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。
7 q) D# a" a' w% M/ k! k9 ]& [. W
" 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
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。
% I4 C* t. N' J9 D7 B
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。
' K$ Q4 a3 @& \4 f+ n6 p
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。


參考文獻
! C8 G& a; _- X+ W2 Q/ i[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.

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