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引言
1 [5 x. `9 l& {# H$ }$ a2 f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。: j" W7 {) U0 [* |$ i9 G
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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]。$ m2 ~) U( J$ @" i/ F6 U( p
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HPCAW傳感器設(shè)計5 z0 i3 Z: ~8 c8 z
HPCAW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。4 v# N6 u7 b* B. E7 z! H. h
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! O- u5 F9 d, q+ d7 y3 y" A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。# y; }8 \" g- D
$ k0 w" w- H: Q) w" wHPCAW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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工作原理
+ E* V/ _ n0 E, ~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。& C. c$ i- T; U/ F$ p; o2 O& B
, b' E- A* H! B: K, o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
0 }6 [. H9 g+ k, m' ?( E1 a1 c[/ol]( U) i d( V D" h7 ?3 y" _
優(yōu)化和性能評估
3 O m1 m% ]* _" O8 c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:6 m) r+ d! c% T. _9 U8 h( I( {0 ]9 _( _
' `, @/ r$ t- b4 O, `/ M1. 孔徑直徑(AD):
) D8 X+ m; }# G6 Q8 M# c" M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。0 L2 E+ b7 k* M. D2 {; t
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. I& h. q9 U* A( b圖2:不同孔徑直徑(AD)的傳輸譜。% l% b2 I+ N; p2 A, X" s
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2. SiO2寬度(WSiO2):
" U( O* o5 Q# M; C& zSiO2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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圖3:不同SiO2寬度(WSiO2)的傳輸譜。
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# \ c( `2 ?8 F' Y. ^; k3. 多孔硅寬度(Wp-Si):0 s: U$ D$ H/ u: Y
p-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, L: u9 [! |& V$ G7 B4 k, J J
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5 X+ Q! ]( V' _/ c圖4:不同p-Si寬度(Wp-Si)的傳輸譜。
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, [6 b5 ^4 N) Q Q多孔硅的孔隙率
; |7 ^ {, `8 d# q* l6 q3 }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。
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6 G' G1 I/ ?) F) x+ q+ c0 M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)。' |9 N6 q0 @/ [9 Z6 X4 g y
) V8 _- k' I+ S
優(yōu)化后的HPCAW傳感器實現(xiàn)了以下性能指標(biāo):
6 p7 {# u2 i7 ~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^-10 o5 d( S5 j' Z2 w
& Y; |$ g) u, \: ?: m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。
! ?6 D$ A! }9 `& e5 [: e S- o2 p# I, e d" u e7 V5 H
制造工藝# h5 f! N. H9 @9 `7 T7 H
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:2 l/ _' ?5 o* \- G7 k2 N4 k$ G
1. 基底準(zhǔn)備:沉積50 nm Au層,然后是Si- r, L1 ^( `9 J y k0 O
2. 多孔硅形成:電化學(xué)或陽極蝕刻技術(shù)) Z" f2 ~2 C! @( |2 u2 w: t1 R
3. 氮化硅沉積:由聚合物掩模引導(dǎo)
- D! n0 K: e8 n2 _. Y/ v6 `1 K4 V4. 等離子體蝕刻:創(chuàng)建精確特征
/ f" k6 l+ f) U2 m+ G, G5. 熱氧化:形成20 nm SiO2層
: P, ~! ~6 A- E$ m; e9 O6. GO和緩沖層沉積:旋涂法
) Z' y; G6 U7 a4 A! w7. Au層沉積
& y& B9 A* s% Q- ~) Y; A% U/ H8. 硬掩模沉積和蝕刻:創(chuàng)建感測區(qū)域
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圖7:實現(xiàn)提出的HPCAW生物傳感器的制造步驟。
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優(yōu)勢和應(yīng)用
' ^" i* Z7 o7 A; W7 r9 O0 u' f0 S7 yHPCAW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
" B" E8 h1 a% Z9 I: g9 d[/ol]4 W: t( d/ `5 _7 v
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
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結(jié)論; K" ^+ x, l+ S5 o2 w& W, |3 e9 r
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。2 K; b: Z7 k% u' p' C
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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。
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7 W: r2 P) M2 D, O6 @1 r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。& a$ ?3 q) J. U4 l- c/ s# c) ?
3 I/ A" P* h$ r) i m0 I/ P. U6 r! Z, l
參考文獻% `- C3 M0 S4 p) i* j
[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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深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計自動化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。1 f6 W6 _5 e% ~1 v- V
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