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
- n8 m! p1 @+ D0 [* T* q( u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。
) z, F9 k* v% g4 K+ [! Z, J7 h
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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HPCAW傳感器設(shè)計
  _8 _' R$ ^1 X% `0 sHPCAW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。

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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。

HPCAW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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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。
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' t" A0 [4 P. ~* O( k工作原理
6 ]9 i) f$ S( R! V# g  U( gHPCAW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。

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
[/ol]
1 I; W) b0 K/ d6 D$ r優(yōu)化和性能評估
" d, p& o. F0 `' Z% m' s為實現(xiàn)最佳性能，對HPCAW傳感器的各種結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了精細(xì)調(diào)整：
" \4 Q$ q" y" D8 y1 ~7 E- C
6 E1 b  _- u% i' ~1. 孔徑直徑（AD）：
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。

, Q9 ?# g9 a8 V1 t8 {/ M
圖2：不同孔徑直徑（AD）的傳輸譜。

, v8 z& Q( J+ ]2 s2. 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。
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+ _$ V9 Q1 j$ ]圖3：不同SiO2寬度（WSiO2）的傳輸譜。
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3. 多孔硅寬度（Wp-Si）：
6 L. f2 D/ M! dp-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。
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圖4：不同p-Si寬度（Wp-Si）的傳輸譜。
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2 e9 I. X" A# [5 p- Z多孔硅的孔隙率
/ d* u# Z# k1 X" b% D* K& Y/ lp-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(jìn)行模擬，評估傳感器對各種葡萄糖濃度的響應(yīng)。


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。

6 o- \( x0 }! N/ N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。


. }7 a6 o! E# g" D+ A9 `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）。

& j0 j( h' `5 Z% u$ @# M! y& s: i4 {# S優(yōu)化后的HPCAW傳感器實現(xiàn)了以下性能指標(biāo)：

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

8 |5 s9 _/ f! Y0 {" [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。

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。制造過程包括以下步驟：
1. 基底準(zhǔn)備：沉積50 nm Au層，然后是Si
  {' m2 `6 V" e4 C; K) X' A2 Y2. 多孔硅形成：電化學(xué)或陽極蝕刻技術(shù)
+ K: Q5 _" j2 ~' p. h/ q3. 氮化硅沉積：由聚合物掩模引導(dǎo)
# U) n$ ?8 ~. S( K4. 等離子體蝕刻：創(chuàng)建精確特征
5. 熱氧化：形成20 nm SiO2層
6. GO和緩沖層沉積：旋涂法
: D  f$ t( r2 d+ u9 T8 S* E1 _! }7. Au層沉積
8. 硬掩模沉積和蝕刻：創(chuàng)建感測區(qū)域


圖7：實現(xiàn)提出的HPCAW生物傳感器的制造步驟。
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5 ?( u  O0 P) t  g7 y2 F+ @- t優(yōu)勢和應(yīng)用
# M' N( R6 x- b4 X$ @HPCAW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
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! L- w3 W; ]' I8 D+ G$ q1 c) f6 rHPCAW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
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& Q1 x+ @9 I8 Y! ]* p  Y  y結(jié)論
! u7 l7 V& P/ i  z; {基于HPCAW的血糖傳感器為推進(jìn)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。

. V5 _0 x* w* _# Y! y( E- z3 GHPCAW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(xiàn)。HPCAW傳感器的緊湊結(jié)構(gòu)、無標(biāo)記檢測和可擴(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)方式實現(xiàn)連續(xù)血糖監(jiān)測。
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隨著該領(lǐng)域研究的進(jìn)展，預(yù)計靈敏度、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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: R  _$ N5 ?# L" f# R) p1 }- S+ X參考文獻(xiàn)
' j' z6 B. r& u# O' n3 O+ C$ m3 K[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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