IEEE Sensors Journal | 混合等离子体圆形孔径波导用于血糖感测

逍遥设计自动化 · 发表于 2024-9-20 08:00:00

引言
糖尿病是慢性代谢疾病，其特征是血糖水平异常。有效管理糖尿病需要频繁监测血糖浓度，以预防高血糖和低血糖等并发症。传统的血糖监测方法，包括指尖采血测试和连续血糖监测（CGM）系统，通常存在侵入性、不适感和缺乏实时反馈等局限性。

近年来，基于等离子体的感测技术因其高灵敏度、特异性和与微型化设备的兼容性，成为血糖感测的有潜力的候选方案。本文介绍基于混合等离子体圆形孔径波导（HPCAW）结构的新型血糖感测方法[1]。

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HPCAW传感器设计
HPCAW传感器结合了等离子体波导和圆形孔径的独特光学特性，实现了更高的灵敏度和特异性的葡萄糖检测。该结构设计用于有效限制和传播表面等离子体极化激元（SPPs）沿圆形孔径，在感测区域实现增强的光物质相互作用。

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图1：提出的圆形纳米孔径人体血糖生物传感器的三维视图和横截面视图。

HPCAW传感器由多个层组成：

金（Au）层：作为等离子体材料

多孔硅（p-Si）层：增强光限制

二氧化硅（SiO2）层：作为低折射率槽

氧化石墨烯（GO）层：改善化学和生物特性

缓冲层：防止氧化和与样品直接接触
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圆形纳米孔径作为感测区域，电磁场与葡萄糖分子在此处发生相互作用。

工作原理
HPCAW传感器的工作原理基于表面等离子体共振（SPR）现象。当光入射到传感器上时，在金属-电介质界面激发SPPs。感测区域中葡萄糖分子的存在改变了有效折射率，导致共振波长发生偏移。

传感器的性能由几个关键参数表征：

灵敏度（SBG）：每单位折射率变化引起的共振波长偏移

品质因数（FOM）：传感器整体性能的度量

品质因子（Q）：表示共振峰的锐度

检测精度（DA）：与共振峰的半高全宽（FWHM）成反比
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优化和性能评估
为实现最佳性能，对HPCAW传感器的各种结构参数进行了精细调整：

1. 孔径直径（AD）：
圆形纳米孔径的直径影响光限制和传输特性。模拟显示，直径为100 nm时，由于通过亚波长孔径的非寻常光学传输（EOT），获得最大传输-5.22 dB。

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图2：不同孔径直径（AD）的传输谱。

2. SiO2宽度（WSiO2）：
SiO2层的宽度影响场限制。发现宽度为20 nm时，在场限制和有效模式指数之间提供最佳平衡。

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图3：不同SiO2宽度（WSiO2）的传输谱。

3. 多孔硅宽度（Wp-Si）：
p-Si层的宽度影响SiO2层中的场限制。宽度为300 nm时，获得最高传输-4.01 dB。

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图4：不同p-Si宽度（Wp-Si）的传输谱。

多孔硅的孔隙率
p-Si层的孔隙率对传感器的性能起着关键作用。对不同的p-Si孔隙率（5%、15%、25%和35%）进行模拟，评估传感器对各种葡萄糖浓度的响应。

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图5：不同p-Si孔隙率下，提出的生物传感器在不同血糖浓度下的传输图。

随着p-Si孔隙率的增加，传感器的灵敏度（SBG）也增加。这是由于p-Si的独特属性，如大表面积、生物相容性、可调孔径和易于功能化。

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图6：血糖生物传感器的设备参数与p-Si层孔隙率的关系。（a）灵敏度（SBG）和FOM。（b）DA和品质因子（Q）。

优化后的HPCAW传感器实现了以下性能指标：

灵敏度（SBG）：391.72 nm/RIU

品质因数（FOM）：7.08 RIU^-1

品质因子（Q）：28.71

检测精度（DA）：0.018 nm^-1

这些数值表明HPCAW传感器相比传统血糖感测技术具有更优越的性能。

制造工艺
基于HPCAW的血糖生物传感器可以使用最先进的CMOS技术制造。制造过程包括以下步骤：
1. 基底准备：沉积50 nm Au层，然后是Si
2. 多孔硅形成：电化学或阳极蚀刻技术
3. 氮化硅沉积：由聚合物掩模引导
4. 等离子体蚀刻：创建精确特征
5. 热氧化：形成20 nm SiO2层
6. GO和缓冲层沉积：旋涂法
7. Au层沉积
8. 硬掩模沉积和蚀刻：创建感测区域

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图7：实现提出的HPCAW生物传感器的制造步骤。

优势和应用
HPCAW传感器相比传统血糖感测方法具有几个优势：

无标记检测：无需化学标记或标签

紧凑结构：适合集成到可穿戴设备或植入式传感器中

高灵敏度和选择性：准确检测葡萄糖浓度

实时监测：具有连续血糖监测潜力

微创：与指尖采血测试相比，提高了患者舒适度
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HPCAW传感器有潜在的应用：

糖尿病管理：连续监测血糖水平

即时诊断：在临床环境中快速准确测量血糖

可穿戴健康设备：集成到智能手表或健身追踪器中

植入式传感器：为糖尿病患者提供长期血糖监测
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结论
基于HPCAW的血糖传感器为推进血糖感测技术提供了有潜力的方法。通过结合等离子体波导和圆形孔径，该传感器实现了增强的灵敏度、选择性和与微型化感测平台的兼容性。优化设计在广泛的血糖浓度范围（0-200 mg/dL）内展示了葡萄糖浓度与共振谱偏移之间的直接关系。

HPCAW结构的独特光学特性，如高效光限制、非寻常光学传输和增强的光物质相互作用，为其相比传统感测技术的优越性能做出了贡献。HPCAW传感器的紧凑结构、无标记检测和可扩展性使其非常适合集成到可穿戴设备或植入式传感器中，以微创方式实现连续血糖监测。

随着该领域研究的进展，预计灵敏度、特异性和与现有技术的集成将进一步提高。HPCAW传感器有潜力通过提供准确、实时的血糖监测，同时改善患者舒适度和便利性，从而彻底改变糖尿病管理方式。
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参考文献
[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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