|
引言
9 b6 G I- ]' w( P8 E& N+ o- T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。
% @3 t8 X! s) y) ?( a1 Q C; c' d0 i2 O
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]。
& }; w2 }* s6 |, \
8 O; s' P! y, g. U
mqm1briuvin64034866132.png (121.17 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊(cè)
mqm1briuvin64034866132.png
2024-9-25 01:01 上傳
& x5 T: j, D# L5 y% A; W# i, m
% t# h# R- v# V/ Z+ X' i2 h; g2 Z1 e( `5 r3 Q; Q
HPCAW傳感器設(shè)計(jì)
' \9 C; n/ E& ]' {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。5 o- A/ W9 U1 z% k f
& p h& @9 v% ]! B- `6 [9 }
a42syaxoacm64034866233.png (341.14 KB, 下載次數(shù): 1)
下載附件
保存到相冊(cè)
a42syaxoacm64034866233.png
2024-9-25 01:01 上傳
$ d9 U3 \6 ]/ m. 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。4 z) n9 K4 M) b5 v0 C
0 l( B( _1 y8 B8 Q) e1 _0 U
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) b2 T) K( c* Y7 ]
[/ol]
1 y; F- ?% Y% T# \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。7 H4 C2 \: g+ r* q" m
& Q: s5 r: B0 L+ p( S# m3 ]+ B工作原理" l: I. o" m) v+ j) k+ q% _ W
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。+ n# x" F6 n# ~5 `5 C1 }
1 K0 U" T$ [: M8 N C5 m4 M- }
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; Q0 d Z- j j1 h. e& v
[/ol]: M) |* l* q$ E8 Y7 O/ P/ d7 U$ s
優(yōu)化和性能評(píng)估3 H2 n |" [! A) {" p, @
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:
- J4 x4 G) V4 L% \4 {
1 m6 @$ i8 K8 t' t1. 孔徑直徑(AD):
* ]# Y7 ^. M- j" `8 a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 [ x2 F5 Z) f: w
) g1 v2 Z, D' W% `* s
wa1so5znifc64034866333.png (46.39 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊(cè)
wa1so5znifc64034866333.png
2024-9-25 01:01 上傳
: B' z0 Q9 Q: Z, p! B
圖2:不同孔徑直徑(AD)的傳輸譜。5 n0 E2 R/ g7 P3 e: d* e! I0 m4 W
$ s* l& b9 a r' R
2. SiO2寬度(WSiO2):
% J1 C, ?4 w% G* ]* {4 o, MSiO2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。
& J! F& h3 Q' w# b8 U3 U% v& q; m: x" t' W# K- C2 y+ o/ F h, X3 @! I
nsox4t5y2iq64034866433.png (55.65 KB, 下載次數(shù): 1)
下載附件
保存到相冊(cè)
nsox4t5y2iq64034866433.png
2024-9-25 01:01 上傳
6 _: a& \% e7 H4 O% B; `- I圖3:不同SiO2寬度(WSiO2)的傳輸譜。
/ o, D) h3 K- H
, ]" i3 V F% }$ ?; k( L& G3. 多孔硅寬度(Wp-Si):4 x. v4 K4 p) j c+ W! A9 U
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。
- ]7 {" Y4 {9 N' l% H( U
& k6 x2 r Q. X3 g2 P
ignksbtkfb064034866533.png (65.47 KB, 下載次數(shù): 1)
下載附件
保存到相冊(cè)
ignksbtkfb064034866533.png
2024-9-25 01:01 上傳
- g% H G- O3 h/ A圖4:不同p-Si寬度(Wp-Si)的傳輸譜。3 ~1 k0 b Y; a: b0 M
6 K& z O% M8 d% Q' H3 T4 Z
多孔硅的孔隙率
, x" S Z* }& Q% ^! l& yp-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)。3 f/ j T+ _" m5 M: k2 m) l
3 a d/ ^' w" D' N9 i* I, X
uivlgeh521s64034866633.png (169 KB, 下載次數(shù): 1)
下載附件
保存到相冊(cè)
uivlgeh521s64034866633.png
2024-9-25 01:01 上傳
( j$ ?; u4 x+ z+ k, X( V
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。
, v b+ r: Z% A2 `2 L; ]8 k! i
3 D# `- J! a- G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。! k/ ^1 @7 s. B% f
6 G' F# D" [5 ^( F/ s
woh23vbmzbq64034866733.png (186.72 KB, 下載次數(shù): 1)
下載附件
保存到相冊(cè)
woh23vbmzbq64034866733.png
2024-9-25 01:01 上傳
! n% w# I, C; j# G. r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)。( |8 { T# G! R% ?
3 B3 V6 U# h. `9 Q" D' n優(yōu)化后的HPCAW傳感器實(shí)現(xiàn)了以下性能指標(biāo):
9 Y& F# b* e7 M# j+ O/ B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 B" s4 d% s4 L9 G6 `0 u5 k% J. g* F S% l( E$ S* e# F
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。9 v; t# y5 y# J7 {
0 I/ i6 z2 t K9 Z8 Y; Y制造工藝. L- u" K$ K& p' W' n! i: B5 }+ k
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:7 w( c/ E2 I" F1 H
1. 基底準(zhǔn)備:沉積50 nm Au層,然后是Si$ n7 K! D* }' Q' V6 s" G
2. 多孔硅形成:電化學(xué)或陽(yáng)極蝕刻技術(shù)
0 H. Z* Y, C: S) e: _3. 氮化硅沉積:由聚合物掩模引導(dǎo)+ t; `5 Z, l2 x& A) F9 R2 [
4. 等離子體蝕刻:創(chuàng)建精確特征
5 J ~5 e0 `# F5. 熱氧化:形成20 nm SiO2層* T4 \; u9 s6 t# i8 E
6. GO和緩沖層沉積:旋涂法6 x0 z7 P8 R$ L* _
7. Au層沉積
V: _. {% M: u- |6 O* v8. 硬掩模沉積和蝕刻:創(chuàng)建感測(cè)區(qū)域 q8 K) R( T( N7 r S! N1 D# Q
0 F6 W& q; F8 |$ r: P
ja250olkqde64034866833.png (280.01 KB, 下載次數(shù): 0)
下載附件
保存到相冊(cè)
ja250olkqde64034866833.png
2024-9-25 01:01 上傳
" B0 Y9 A2 T8 b, w+ I
圖7:實(shí)現(xiàn)提出的HPCAW生物傳感器的制造步驟。6 _ g+ m0 o+ k; g7 h
- X& }* X7 F; c v& I7 ^, m優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用
1 R: ^0 y7 e: N3 i) F! 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" p/ ?6 d* p' l' U7 X
[/ol]
8 {7 ?; S1 X: d2 G, J, pHPCAW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). c# m# j4 \6 a; J, h: A
[/ol]/ V* C4 n5 J! o; |7 u1 u4 W @
結(jié)論7 i' ]7 F8 x5 d- i
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。/ c3 H) V' S- N7 h
5 o0 M" h& e$ R f: mHPCAW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)。
& ?8 J9 X- o% |2 A
3 d% Y7 f4 h; s( o$ m& I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。( @( G, ^( q! |1 D- F7 f
: m) _# T4 O2 I' X/ a9 s
5 n# S4 N9 L; ?& E S6 x, c參考文獻(xiàn)
4 S/ J6 j7 |" m! @9 C[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.2024.3409732.3 i$ `' q) I" T9 c, V0 \7 `( V
& a% g e7 L( A
- END -
7 s$ h9 L+ ]8 i! w" f+ K5 C5 x E0 M0 i3 a. w% V! k2 s3 X0 W
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。
2 H' r5 c$ _& q) Z# W9 Q7 Q點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng)+ R, j1 f6 l2 u. X8 n$ T+ G9 L- ^! t9 E
0 X" p% E: l: D歡迎轉(zhuǎn)載
* J3 o( g' W- E9 H1 W/ ]
0 T9 w6 _; c' _轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處,請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息!
" A% B% U! P7 M3 D" a6 |3 p" X+ O, \. z
/ h& o0 Z- A; K: |9 A
: o \5 _- e# F; {1 O& ]1 E
ftykslrzue064034866933.gif (16.04 KB, 下載次數(shù): 1)
下載附件
保存到相冊(cè)
ftykslrzue064034866933.gif
2024-9-25 01:01 上傳
7 A# h, `# U: O5 R
" I* L6 t5 u4 y) F/ c關(guān)注我們0 O! z, k3 {% ^$ R; c# I, f
; B2 a/ E ~1 _) |% v4 j. W, Y+ u+ d0 k
sz24ghoegsw64034867033.png (31.33 KB, 下載次數(shù): 2)
下載附件
保存到相冊(cè)
sz24ghoegsw64034867033.png
2024-9-25 01:01 上傳
- E; V& I9 _+ ?/ }+ \7 z
|
5 t' |8 u3 f- R& w2 D
wk4urrlf45p64034867133.png (82.79 KB, 下載次數(shù): 1)
下載附件
保存到相冊(cè)
wk4urrlf45p64034867133.png
2024-9-25 01:01 上傳
) z' y9 R. U3 P5 K) p$ D |
# O3 s8 P% X+ q& a
5iqjkyblks564034867233.png (21.52 KB, 下載次數(shù): 1)
下載附件
保存到相冊(cè)
5iqjkyblks564034867233.png
2024-9-25 01:01 上傳
2 p: q5 p% N- o B
|
1 V: O5 A4 }" f6 {1 v
9 i7 L4 F8 C; B; d) H2 I+ N- _ l Q) W1 {/ x) \! j
/ {; g$ o, D" `
關(guān)于我們:
5 J4 W T& _7 D7 Y8 f* D' u深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專(zhuān)注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開(kāi)發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)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(jì)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(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動(dòng)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)。
! O5 t+ T+ R3 n- r/ E8 S8 t: F! {9 U
7 H+ L! K: f8 U' H! {' c$ lhttp://www.latitudeda.com/6 H* v$ f: o7 c8 @
(點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們,發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容) |
|