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

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

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。
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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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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。


$ 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。

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
[/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。

& Q: s5 r: B0 L+ p( S# m3 ]+ B工作原理
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。

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
[/ol]
優(yōu)化和性能評(píng)估
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：
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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。
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圖2：不同孔徑直徑（AD）的傳輸譜。

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。
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6 _: a& \% e7 H4 O% B; `- I圖3：不同SiO2寬度（WSiO2）的傳輸譜。
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, ]" i3 V  F% }$ ?; k( L& G3. 多孔硅寬度（Wp-Si）：
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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- g% H  G- O3 h/ A圖4：不同p-Si寬度（Wp-Si）的傳輸譜。

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)。

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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。
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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。


! 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）。

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)：
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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
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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。

0 I/ i6 z2 t  K9 Z8 Y; Y制造工藝
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：
1. 基底準(zhǔn)備：沉積50 nm Au層，然后是Si
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)
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
6. GO和緩沖層沉積：旋涂法
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

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圖7：實(shí)現(xiàn)提出的HPCAW生物傳感器的制造步驟。

- 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
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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)
[/ol]
結(jié)論
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。

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)。
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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。

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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.

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