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引言# Z* m& ?: p2 c9 i! 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。, O5 o0 F {! X9 _
% l* H( u1 w2 }; Y1 V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]。
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# i% r, u6 A7 Y, ~4 `8 C8 ^HPCAW傳感器設(shè)計
# V6 o% i; L: G/ 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。+ @ Q7 |6 T! C- W& h
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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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7 M2 O9 j/ F+ ^6 L# R. P* yHPCAW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
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: u0 S0 O* g) D( i6 w! J6 f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。+ l+ k- [$ `& n, Q1 i
- u' c. W4 U2 K i工作原理9 ]" p0 ]+ ^/ |6 m; [2 k$ y8 p
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,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。
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% X: f0 E! Y" x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8 X' t* q% G4 W [9 e3 _1 z, m
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優(yōu)化和性能評估
; ]; z, W- `7 ~: x) E: @; \ U: ]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:4 |6 D9 O! Z( Z) s5 `: s
0 j$ U3 `0 H4 Z( A4 f( Q, c7 O; a$ P
1. 孔徑直徑(AD):2 j; W6 }) _1 G( D
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。* h8 v( f1 h- c$ A
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) n+ E/ P2 Z- a+ ]6 @5 B1 a: S# m圖2:不同孔徑直徑(AD)的傳輸譜。
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. Z; i" ], C7 r2. SiO2寬度(WSiO2):. C4 O7 k3 N( G, F9 J* \
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。4 L z* E2 |. ?8 T4 N: |8 N
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圖3:不同SiO2寬度(WSiO2)的傳輸譜。9 u4 s+ D% P( ~2 W& B9 P- z
6 K6 ` Z" z" W/ I" X A4 d3. 多孔硅寬度(Wp-Si):
; f$ a' ?; r! x& xp-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。0 [; N( M) X0 o& S/ N
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圖4:不同p-Si寬度(Wp-Si)的傳輸譜。: B9 ~: Y0 K% k5 ?( p
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多孔硅的孔隙率
- ^! ~ U2 O& `" f8 M1 p! [2 mp-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。
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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。6 }+ s8 ^/ H, V: f
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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)。( ]! n! W ~+ P3 F
7 B3 `9 @! G! Z% |) V! m優(yōu)化后的HPCAW傳感器實現(xiàn)了以下性能指標(biāo):1 Y' O9 g/ M( v
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^-12 @! x1 ?; o2 o6 s3 i2 H) m' r
$ n0 r) I, p& W' B+ @# V: m) ]2 T5 u( x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。; W5 ?5 e! s! o; `% j& u! n+ C( u1 ^: H
; Y' T7 r& }7 _8 _% ~
制造工藝* H9 e5 d% d' K, O5 U6 e
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:) x; w( ~, ]# H2 N; ]- H H& E
1. 基底準(zhǔn)備:沉積50 nm Au層,然后是Si
9 u; K. l8 I. d! m2. 多孔硅形成:電化學(xué)或陽極蝕刻技術(shù)
/ W. e1 I3 g) z3. 氮化硅沉積:由聚合物掩模引導(dǎo) L2 f* z9 n2 o& S7 d, X
4. 等離子體蝕刻:創(chuàng)建精確特征
0 u. w4 R7 z! L3 ~/ D: v' B5. 熱氧化:形成20 nm SiO2層7 i5 n* |- y/ H
6. GO和緩沖層沉積:旋涂法. c6 Y" `- g6 O+ r" L. H! v3 L% M
7. Au層沉積# C; ^. Y9 v2 ^: L
8. 硬掩模沉積和蝕刻:創(chuàng)建感測區(qū)域( o1 K0 w/ f* W6 {
, @0 g' N+ ~+ H8 r! o! \& t; X
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圖7:實現(xiàn)提出的HPCAW生物傳感器的制造步驟。9 g) O: A/ i, @& [3 j, v* F
, L2 Z* u( t- j* r6 q優(yōu)勢和應(yīng)用
# Z# Z: P5 @4 ]5 d4 e vHPCAW傳感器相比傳統(tǒng)血糖感測方法具有幾個優(yōu)勢:無標(biāo)記檢測:無需化學(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
- V o- L1 b7 ^0 a+ Y& B8 {% F[/ol]) ^" ]8 K% U+ J1 }
HPCAW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(zhǔn)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* |+ Q% z+ ]5 c) o' a) E
[/ol]
+ X- H7 F% z- p2 I, F% l, c7 z結(jié)論0 D) w0 t' u3 K$ e- O
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。
" @3 Q/ O7 [1 ` ~+ ]: H2 S! w2 l+ Y6 G" u0 x7 ?8 \
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(biāo)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。' d) y6 f# c- M. s- b% Z9 U6 [
" A6 @! l* c. R8 F8 l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(zhǔn)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。
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參考文獻
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