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

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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。
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" u4 K/ n: M1 c4 d' Z  a近年來，基于等離子體的感測技術因其高靈敏度、特異性和與微型化設備的兼容性，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）結構的新型血糖感測方法[1]。
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HPCAW傳感器設計
HPCAW傳感器結合了等離子體波導和圓形孔徑的獨特光學特性，實現了更高的靈敏度和特異性的葡萄糖檢測。該結構設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)域實現增強的光物質相互作用。
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0 G5 T* a& ]+ V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。

& p: Y$ y/ T$ R, p+ Y0 ], S% jHPCAW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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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
2 l- O# i" Q6 r* i& pHPCAW傳感器的工作原理基于表面等離子體共振（SPR）現象。當光入射到傳感器上時，在金屬-電介質界面激發(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。

傳感器的性能由幾個關鍵參數表征：

靈敏度（SBG）：每單位折射率變化引起的共振波長偏移

品質因數（FOM）：傳感器整體性能的度量

品質因子（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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優(yōu)化和性能評估
* j8 i: A5 ]- [: ?( T為實現最佳性能，對HPCAW傳感器的各種結構參數進行了精細調整：

5 P1 F7 V! g1 }5 e1. 孔徑直徑（AD）：
5 c6 W$ U8 O7 s9 o" B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。
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圖2：不同孔徑直徑（AD）的傳輸譜。

# }" d8 r; `. _$ ]1 ]# s$ W2. SiO2寬度（WSiO2）：
SiO2層的寬度影響場限制。發(fā)現寬度為20 nm時，在場限制和有效模式指數之間提供最佳平衡。


" Y4 X5 x! L" z6 B圖3：不同SiO2寬度（WSiO2）的傳輸譜。

+ P9 c! n/ p- o3. 多孔硅寬度（Wp-Si）：
/ l: ^( e: F! M' Sp-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 H9 ]% y7 t: v4 a1 N圖4：不同p-Si寬度（Wp-Si）的傳輸譜。

3 d+ T% S4 h. ?, L多孔硅的孔隙率
- z+ Y+ h8 ?2 L: X1 N6 e8 Ep-Si層的孔隙率對傳感器的性能起著關鍵作用。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。
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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、可調孔徑和易于功能化。
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7 c( y3 T# D4 b, B圖6：血糖生物傳感器的設備參數與p-Si層孔隙率的關系。（a）靈敏度（SBG）和FOM。（b）DA和品質因子（Q）。
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優(yōu)化后的HPCAW傳感器實現了以下性能指標：

靈敏度（SBG）：391.72 nm/RIU

品質因數（FOM）：7.08 RIU^-1

品質因子（Q）：28.71

檢測精度（DA）：0.018 nm^-1

9 I: N7 y0 ~/ l8 U1 S這些數值表明HPCAW傳感器相比傳統(tǒng)血糖感測技術具有更優(yōu)越的性能。

5 a, K' N4 k7 f4 P% N5 U% ?) U! b$ V制造工藝
$ ?6 v" H* z* l  w& ^0 u2 |4 A  L基于HPCAW的血糖生物傳感器可以使用最先進的CMOS技術制造。制造過程包括以下步驟：
* a; _$ W$ L/ P1 f/ a5 H9 Q  M1. 基底準備：沉積50 nm Au層，然后是Si
, ~1 y0 ~( ^3 g$ V6 M4 n4 K  X" V2. 多孔硅形成：電化學或陽極蝕刻技術
0 w( b3 I/ F' M# r& T4 Z' S, c3. 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
/ h( O: ^* e9 b* p, {( r" U) ~5. 熱氧化：形成20 nm SiO2層
: G  J- |$ }* X! @7 W6. 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
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9 T& N% j. y. z8 ^6 ^. y圖7：實現提出的HPCAW生物傳感器的制造步驟。
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) w( m( S" t+ m3 Z優(yōu)勢和應用
HPCAW傳感器相比傳統(tǒng)血糖感測方法具有幾個優(yōu)勢：

無標記檢測：無需化學標記或標簽

緊湊結構：適合集成到可穿戴設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
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- B& w# W; ?) f6 n5 rHPCAW傳感器有潛在的應用：

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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; |5 R+ v0 g" z7 U; W8 D結論
基于HPCAW的血糖傳感器為推進血糖感測技術提供了有潛力的方法。通過結合等離子體波導和圓形孔徑，該傳感器實現了增強的靈敏度、選擇性和與微型化感測平臺的兼容性。優(yōu)化設計在廣泛的血糖濃度范圍（0-200 mg/dL）內展示了葡萄糖濃度與共振譜偏移之間的直接關系。

0 U1 w; b1 I' S0 hHPCAW結構的獨特光學特性，如高效光限制、非尋常光學傳輸和增強的光物質相互作用，為其相比傳統(tǒng)感測技術的優(yōu)越性能做出了貢獻。HPCAW傳感器的緊湊結構、無標記檢測和可擴展性使其非常適合集成到可穿戴設備或植入式傳感器中，以微創(chuàng)方式實現連續(xù)血糖監(jiān)測。
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( d& B7 l  d4 R& f$ R隨著該領域研究的進展，預計靈敏度、特異性和與現有技術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。


參考文獻
; i+ m. \6 q, a- X5 I  M[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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