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
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。
% i7 |( G0 F7 _7 q) x+ N& f7 F" o) A
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]。




) y) D1 I& [% v7 q+ ?, D% h( O9 YHPCAW傳感器設(shè)計
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(qiáng)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。
2 ?) u, I+ R2 Q
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(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]
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。

' d! q! K5 t4 e( j) U: y工作原理
( g( o$ V8 Z9 @, }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。

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
) A" w# }# L$ v0 r[/ol]
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(jìn)行了精細(xì)調(diào)整：
5 G# D$ q8 {/ T. R/ P  {
6 H5 W/ W& G$ @1. 孔徑直徑（AD）：
4 Q3 [& u. x: T7 v4 E6 v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。
  {: `4 u; S; t- v- \, X5 g
+ b! y6 ^# T/ d0 {# y; n9 s8 N
圖2：不同孔徑直徑（AD）的傳輸譜。
* ?4 |& y- S( X. ^
& Q1 x4 X" |" G6 Y! Y* X" J2. 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。


圖3：不同SiO2寬度（WSiO2）的傳輸譜。
. t( u6 Y- T+ Q3 n; q
3. 多孔硅寬度（Wp-Si）：
% Q% B* q2 D+ w6 J- 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。
) F* |/ L5 }7 H/ v+ q. m2 y4 O6 d
# P( }/ O3 O  h' L( y8 c  ~
圖4：不同p-Si寬度（Wp-Si）的傳輸譜。

# O5 v2 r! W0 z+ `9 p0 z) o4 Y' y多孔硅的孔隙率
p-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)。
: o3 e6 |! k: w

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。
- J( p% F$ r1 U9 s: g9 j# e% {# p" l! W6 W
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。
- y. A# d4 j3 l- O6 d# U5 B

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）。
; |7 C7 A6 _( a1 P$ Q2 H5 K
' G0 h0 _% h, a優(yōu)化后的HPCAW傳感器實現(xiàn)了以下性能指標(biāo)：
: X5 X! N/ U: F4 K* X% O

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

; M& L! ]" n$ B( v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。

! D- t0 l$ l# w2 V# {) k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：
9 Q. ?5 z0 Y$ D2 \* S# P! l1. 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)或陽極蝕刻技術(shù)
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. 熱氧化：形成20 nm SiO2層
6. GO和緩沖層沉積：旋涂法
1 `: U) g: U: r6 Y0 p" T* H7. Au層沉積
8. 硬掩模沉積和蝕刻：創(chuàng)建感測區(qū)域
0 E, b* `9 ?2 i$ Z0 T9 i
* M" k" D8 ~3 Y
圖7：實現(xiàn)提出的HPCAW生物傳感器的制造步驟。

優(yōu)勢和應(yīng)用
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
" f  {: t) C) o& c4 x+ ?  s7 d[/ol]
! _1 r9 s& V( M. lHPCAW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
[/ol]
結(jié)論
3 Q: f$ n' e. p1 Q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(qiáng)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。
4 I' H8 H8 i6 i$ a3 v6 k! N" {# V& S
( M7 G1 t6 h) |HPCAW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。
. t$ y% q8 N* L1 e. B! }
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參考文獻(xiàn)
[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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