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

逍遙設(shè)計自動化

引言
: @8 y$ M& B# M1 v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。

4 T% f& R( I0 v- U2 P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（HPCAW）結(jié)構(gòu)的新型血糖感測方法[1]。




1 ?) \5 a9 Z" B: T3 FHPCAW傳感器設(shè)計
" v! K# s7 _: c. AHPCAW傳感器結(jié)合了等離子體波導和圓形孔徑的獨特光學特性，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。


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。
3 v+ Y! g2 a0 Q  A
- i5 M- v1 G1 U2 f6 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：改善化學和生物特性

緩沖層：防止氧化和與樣品直接接觸
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8 T( o4 R  |! W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。

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，導致共振波長發(fā)生偏移。
2 I7 A; Q' j1 N0 D2 {) i  r: I
$ G4 _" s6 J5 m) q# c7 y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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! I* @. G7 @9 O1 ]- {* {& q優(yōu)化和性能評估
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：
( C& v( V4 G/ g% g! {' n- r6 d
1. 孔徑直徑（AD）：
( L  u3 F% ]2 O9 z  B  t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傳輸（EOT），獲得最大傳輸-5.22 dB。
( R  z- H" _& X  B& p+ j" ]2 b/ A

. C' W. X. w6 e# K' G' w% J圖2：不同孔徑直徑（AD）的傳輸譜。

8 k2 Z: R. H: G+ q# c2. 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。

) r/ f4 @% A" z# c5 s! W2 i. B
圖3：不同SiO2寬度（WSiO2）的傳輸譜。
' T  i/ b9 L: {  z
3. 多孔硅寬度（Wp-Si）：
8 T% ~6 p) q) y$ q; j" G1 C5 J2 Rp-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。
: t" n/ h+ r" r7 v9 d' ?$ I. w& w0 W4 O
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圖4：不同p-Si寬度（Wp-Si）的傳輸譜。
( p5 K  S' b2 E5 `% e" m$ [
/ ]4 N5 l! F' Q7 A0 u/ i# L多孔硅的孔隙率
" q# R3 r5 e+ a- u- x$ @* N5 Wp-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)。
3 c) h0 c/ K! e
" b' z5 l' ~$ C. O2 ~  h
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。
& z( M) z9 Z7 z- O, K
+ P6 U$ I/ W4 m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。


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）。
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優(yōu)化后的HPCAW傳感器實現(xiàn)了以下性能指標：
! J/ {/ r6 B- s& G( E$ H5 U0 @/ B0 |: L- }

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
, ~+ X. g- `4 Q5 T, e
& X8 k* L# Z3 |3 ]) ~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。
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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 I9 P. t+ ]2 x6 W2. 多孔硅形成：電化學或陽極蝕刻技術(shù)
, r7 K4 ?' `0 k2 s: H" w, Z3. 氮化硅沉積：由聚合物掩模引導
4. 等離子體蝕刻：創(chuàng)建精確特征
5. 熱氧化：形成20 nm SiO2層
8 p: C9 P+ t$ }1 n5 e- D6. GO和緩沖層沉積：旋涂法
7. Au層沉積
8. 硬掩模沉積和蝕刻：創(chuàng)建感測區(qū)域

* _1 q) p2 J4 D+ r; T! T
, ]7 A# \( g: B- \1 M  R圖7：實現(xiàn)提出的HPCAW生物傳感器的制造步驟。

* \3 V2 B5 U' ?8 k% u優(yōu)勢和應(yīng)用
  s5 e# J+ B$ r% D, @+ ?2 [HPCAW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
& J2 g5 s2 X+ p3 j* H9 U[/ol]
3 S2 I/ C' Y6 P$ K% i# YHPCAW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
[/ol]
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。
* K  J+ K1 G* m
HPCAW結(jié)構(gòu)的獨特光學特性，如高效光限制、非尋常光學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。

+ U3 |* r: Z6 Q3 g隨著該領(lǐng)域研究的進展，預計靈敏度、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。
- V' d0 B) A+ I/ B" x& ^: l
5 I% s0 L; H! b$ r, |% l. ]% Z
參考文獻
. Z1 [( d3 m6 E+ \7 F4 @  {: M# D[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.
1 B+ d: e4 V: j  l8 B/ Y- H
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