V této části navrhovaného monitorování glukózy senzor je prezentován spolu s plány, koncepce, funkční parametry, vlastnosti, analýzy a různé provést experimenty pro měření koncentrace glukózy v různých podmínkách, stejně jako intenzivní diskuse včetně analýzy různých parametrů vliv na měření.,
Beztřískové tag rezonátor senzor design
Obrázek 2 představuje perspektivní pohled na pole koncentrací beztřískové mikrovlnná trouba senzorem pro glukózu snímacích aplikací. Snímač je měděná Stopa ve tvaru prstence navržená pro práci kolem 4 GHz,jak je znázorněno na obr. 2., Tato frekvence je vybrána, protože je značný rozdíl mezi vodou, jako hlavní materiál v intersticiální tekutiny, a nasycený roztok glukózy permitivita, zatímco jejich ztráta faktory jsou ještě malé, a proto je měření na této frekvenci bude mít za následek významný posun frekvence, a proto zařízení sensitivity46. Také, protože ztrátový faktor při této frekvenci je pro vodu stále nízký, faktor kvality rezonátoru zůstane vysoký, což má vysoký význam pro vysoce přesná měření., Vzhledem k tomu, že snímač je vyroben ze dvou rezonátorů, jsou ve spektru dva vrcholy a zářezy. Při tomto měření bude zvažován pouze zářez související se značkou. Jak je znázorněno na obr. 2, snímač zvažuje varianty ve střední představen na tag, který je kůže a pod včetně intersticiální tekutiny a krve v závislosti na čidlo místo montáže. Rozdíly v permitivity materiálů v regionech vystaveny vyšší koncentraci pole má větší přínos pro posun frekvence. Pro kvantifikaci této skutečnosti, na obr., 2, je prezentován MUT s různými vrstvami naskládanými nad senzorem. Všechny vrstvy mají stejnou dielektrickou permitivitu 1 a stejnou tloušťku 1 mm a pouze permitivita jednoho z nich se mění na 2 v každém kroku. Výsledky znázorněné na obr. 2c ověřuje naše odůvodnění. Na základě tohoto pozorování se zdá, že změny koncentrace glukózy v ISF mají mnohem větší dopad na frekvenční posun senzoru než jeho změny v krvi. Proto jsou v následujících pododdílech modelovány pouze tekutiny a složky ISF.,
mechanismus Detekce
V této části, různé parametry využity jako výstupy nebo detekční mechanismy prezentované senzor pro monitorování glukózy jsou popsány. Rovněž budou poskytnuty některé vysokofrekvenční simulace a analýza, která ověří nadřazenost výkonu navrhovaného senzoru.,
změnu Frekvence
rezonanční kmitočet, mikrovlnná trouba split ring rezonátory (fr) je funkce inverzní efektivní permitivita (er,eff) z rezonátoru je environment47 který je obecně neznámé funkce substrátu dielektrické permitivity a permitivita experimentální nastavení a MUT stejně.
když je MUT zaveden do rezonátoru, změní se celková účinná permitivita systému, a tedy rezonanční frekvence rezonátoru., Tento posun rezonanční frekvence je proto měřítkem pro stanovení zavedeného materiálu pro konstantní objem. Měření frekvenčního posunu je robustním parametrem proti aditivnímu šumu a také se snadno měří. Čtecí obvody byly vyvinuty s detekčními limity v rozsahu 100 ppb (díly na miliardu) snadno, což umožňuje měření frekvenčního posunu s vysokým rozlišením jak přesné, tak přímočaré48.
amplitudová variace
Další výstup mikrovlnného rezonátoru, který by mohl být neocenitelný pro dosažení vhledu do MUT, je amplitudová variace., Amplitudová variace se většinou vyskytuje v důsledku změn vodivosti MUT49. K tomu obvykle dochází, když se koncentrace elektrolytů mění uvnitř ISF. Vzhledem k tomu, že spektrum vodivosti materiálů se liší v trendu (ne-li zcela ortogonální) od jejich permitivity, studium amplitudových variací by mohlo být velmi užitečné.
analýza citlivosti
vzhledem k tomu, že frekvenční posun je hlavním výstupním parametrem senzoru, může být citlivost definována jako frekvenční posun versus změny permitivity MUT pro určitý objem., Od té doby, každý výzkum používá libovolný kontejner, objem a tvar, pro smysluplné pochopení zlepšení citlivosti v navrhovaném senzoru, srovnání mezi tradiční mikrovlnné rezonátory a aktuální představil čidlo, určené na stejné frekvenci je uveden zde. Jak je znázorněno na obr. 3, Povrchový materiál se specifickým objemem a tvarem pokrývající celou plochu obou rezonátorů S er = 4 je zaveden jako MUT. Frekvenční posun vyplývající z relativní změny permitivity na 10 pro navrhovaný snímač je 700 MHz, což je více než 3.,5krát vyšší než frekvenční posun pro tradiční rezonátor. Omezená citlivost tradičního rezonátoru je výsledkem omezených elektromagnetických polí mezi rezonátorem a jeho pozemní rovinou (viz obr. 2a). V tradičních rezonátorech má substrát kvůli tomuto jevu důležitější roli při definování rezonanční frekvence spíše než MUT. Kvůli odstraňování substrátu pro značku v prezentované práci, hlavní proměnná, parametr, který určuje rezonanční kmitočet tag je MUT permitivity., Pro studium tohoto konceptu byla provedena další simulace pro konvenční i prezentované rezonátory. Jak je znázorněno na obr. 4, byla použita různá permitivita substrátu s různou permitivitou pro MUT jak pro tradiční, tak pro navrhované senzory. Mohlo by to být vidět, že pro tradiční rezonátor senzory, substrát permitivita je dominantní parametr při určování rezonanční frekvence struktury při dopadu na substrát permitivita variace na navrhované senzor je velmi malý, a dokonce zanedbatelný., Pro zbývající část tohoto článku definujeme citlivost, protože frekvenční variace vyplynula ze změny koncentrace glukózy 1 mM / l pro konkrétní testovací nastavení.
Citlivost srovnání prezentovány snímače a tradiční mikrovlnná trouba rezonátor senzory. (a) navrhované nastavení senzorové zkoušky citlivosti s povrchovým materiálem s relativní permitivitou mezi 1 (holý rezonátor) a 10. b) tradiční mikrovlnný rezonátorový senzor se stejným objemem a permitivitou., (c) a (d) spektrum obou sestavách z části (a) a (b), respektive, stejně jako jejich výsledkem spekter z MUT relativní změny permitivity z er = 1 er = 10. Bylo vidět, že frekvenční posun související s navrhovaným senzorem je 700 MHz (c) ve srovnání s 200 MHz pro tradiční senzor (d) za stejných podmínek.,
Srovnání vliv substrátu při stanovení rezonanční kmitočet tradiční a navrhované senzory. Frekvenční posun oproti MUT permitivity pro různé permitivity hodnoty pro substrát pro (a) tradiční senzory, (b) navrhovaný senzory; to může být vidět, že vliv substrátu permitivity v tradiční rezonátor senzorů je dominantní, zatímco jeho vliv je zanedbatelný navrhovaného senzoru., To je důvod vyšší dosažené citlivosti této konstrukce ve srovnání s tradičními senzory.
analýza vzdáleného měření
dalším pozoruhodným rysem prezentované práce je schopnost vzdáleného snímání. Tato charakteristika je zvláště důležitá pro nositelné elektronické aplikace. Kromě možnosti vkládání čtenář v chytré hodinky, telefon nebo gadget, tento pozoruhodný rys přináší nové zásadní výhody, jako je nulová spotřeba energie, velmi nízké náklady, a malá velikost pro snímání tag., Pro lepší přehled o této charakteristice byla provedena další simulace umístěním MUT se specifickou relativní permitivitou na horní část značky a zvýšením vzdálenosti mezi čtečkou a značkou. Bylo to vidět na obr. 5 tato značka nadále komunikuje se čtečkou téměř 11 mm s absolutně nulovým výkonem, který je pro naši aplikaci zcela dostačující.,
(a) nastavení Simulace pro charakterizaci měření vzdálenosti navrhovaného senzoru (obrázek je získán z HFSS). (b) definice poměru mezi zářezem a signálem (nsfr) pro předloženou simulaci. (c) nsfr signálu versus vzdálenost senzoru od čtečky.,
Experimenty
Různých měření bylo provedeno ověření výkonnosti navrhované neinvazivní měření glukózy snímače. Nejprve se provádí měření koncentrace glukózy v deionizované (DI) vodě. Pro studium konzistence a stability snímače a nastavení se provádí zkouška návrat k nule s tak vysokými koncentracemi glukózy jako 200 mM / l (obr. 6)., I když tato hodnota je nereálně vysoká, ale to bude poskytovat neocenitelnou vhled prostřednictvím konzistence výkon snímače zavedením DI vody s nulovou koncentrací glukózy a DI vody s 200 mM/l koncentrace glukózy případně snímače. Obrázek 6d skicuje rezonanční frekvenční zářez amplitudy S21 odezvy snímače. Bylo vidět, že odezva senzoru je stabilní i opakovatelná. Také je patrná vysoká citlivost charakteristická pro senzor., Pro našeho nejlepšího vědomí, dosažené citlivosti této práce, 60 kHz/1 mM/l koncentrace glukózy v krvi, což je vynikající pro nejlepší výsledky v literatuře se uvádějí bez ohledu na tvar a objem MUT. To znamená, že reakce senzoru je méně citlivá na zvuky prostředí než jeho konvenční protějšky.
(a) S21 experimentální odezvu snímače pro extrémní případ zavedení vzorků s 0 mM/l a 200 mM/l koncentrace glukózy fo snímače., b) frekvenční posun oproti koncentraci glukózy v extrémním případě 0 a 200 mm/l koncentrace glukózy v DI vodě. Bylo vidět, že odezva senzoru je velmi konzistentní a opakovatelná. (c) posun amplitudy versus koncentrace glukózy pro extrémní případ 0 a 200 mm/L koncentrace glukózy v DI vodě. (d) S21 odezvu snímače pro malé změny koncentrace glukózy v DI vody od 0 do 40 mM/l. (e) Frekvenční posun oproti koncentrace glukózy na koncentraci variace od 0 do 40 mM/l., Bylo vidět, že bylo dosaženo skvělých výsledků s velmi vysokou průměrnou citlivostí 60 kHz/1 mM/l koncentrace glukózy. (f) Amplitude shift versus koncentrace glukózy na koncentraci variace od 0 do 40 mM/l.
Pro další krok, vzorky jsou připraveny s 10 objemových procent koňské sérum pro modelování ISF. Jak return-to-zero, tak malé variace vzorků koncentrace glukózy byly testovány se slibnými výsledky dosaženými podle náčrtu na obr. 7., Pro dosažení lepší představy o výkonu senzoru je běžné řešit koncentraci glukózy oproti frekvenčnímu posunu jako naměřená data. Proces montáže interpolační křivky se pak provádí na základě výsledných dat. Tyto výsledky jsou uvedeny na obr. 7d.
Experimentální výsledky vzorky s koncentrací glukózy v DI vodě s 10% koňského séra obsahu. a) S21 odezva senzoru na koncentrace glukózy od 0 do 30 mM/l., b) změny amplitudy versus koncentrace glukózy ze stejného experimentu. c) frekvenční posun versus koncentrace glukózy. To může být vidět, že, podle nižší permitivitu séru ve srovnání s vodou, celkové permitivita vody-sérum řešení je snížena, a proto dopad glukózy variace na celkové permitivita roztoku je snížena, stejně, což má za následek nižší citlivost 43 kHz/1 mM/l koncentrace glukózy v krvi., (pokud bychom měli návrat k nulovým výsledkům, mohli bychom je integrovat také s tímto obr.), (d) kalibrační křivka pro koncentraci glukózy versus měřený frekvenční posun. Všimněte si, že kalibrační křivka poskytuje přiměřené přizpůsobení datovému bodu i přes některé chyby, které mohou souviset s mírnou variabilitou experimentálních vzorků.
pro další napodobení fyziologičtějšího stavu jsme provedli experimenty se snímáním glukózy vrstvou kůže myši., V těchto experimentech je do vzorku zahrnut fyziologický roztok s elektrolyty a iontovými koncentracemi popsanými v části „výsledky a diskuse“. Podle zvýšení vodivosti vzorků se zvyšuje amplituda frekvence zářezu. Pro tento experiment se mezi senzorem a kapalinou používá oholená kůže myší o tloušťce asi 300 µm zabalená uvnitř uzavřeného plastového sáčku. Vzorek je proto umístěn v Další vzdálenosti od senzoru. Jak je znázorněno na obr. 8, citlivost snímače je snížena se stejným odůvodněním jako obr., 2 v důsledku zvýšení vzdálenosti mezi vzorkem ISF a senzorem. Citlivost systému na změny koncentrace glukózy je však stále vyšší než u jiných dosud publikovaných neinvazivních technologií.
Experimentální výsledky vlivu koncentrace glukózy variace ve vzorcích s DI voda + sérum + fyziologický roztok. a) frekvenční posun senzoru jako reakce na alternativně změnu koncentrace glukózy z nuly na 200 mM / l., Bylo vidět, že navrhovaný senzor představuje stabilní a opakovatelnou odezvu v průběhu času. b) frekvenční posun senzoru jako reakce malé změny koncentrace glukózy. Bylo vidět, že podle Zavedení kůže mezi senzorem a vzorkem je celková citlivost snížena na 38 kHz/1 mM/l změny koncentrace glukózy.
Diskuse
Přestože mikrovlnné rezonátory mají působivé vlastnosti, tam je stále velmi náročný problém zůstal., Vzhledem k tomu, že jakákoli změna permitivity MUT se odráží ve frekvenčním posunu rezonátoru, existuje obava z nejistoty skutečného zdroje frekvenčního posunu. Pro řešení tohoto problému je k dispozici rozsáhlá diskusní část včetně některých experimentů.
představil senzor, jejímž cílem je měření koncentrace glukózy v ISF, což je tekutina, obsahuje kolem 40% lidského těla je voda obklopující buňky, působí jako výživový přepravu z krevních kapilár a odpadu sběr médium pro buňky., Kromě vody a plazmy obsahuje ISF také glukózu, mastné kyseliny a soli. Dosud byly testovány účinky variace glukózy. Zde poskytujeme některé experimenty pro studium účinků minerálních variací na frekvenční posun senzoru. Hlavní ionty v ISF jsou sodík, draslík, chlorid, vápník, hořčík, hydrogenuhličitan a fosfát. Protože sodík a chloridové ionty mají jeden nebo více řádů vyšší, variační rozpětí ve srovnání s ostatními ionty, pro jednoduchost, jsou považovány za jako jedinou proměnnou ionty experimenty. Bylo to vidět z obr., 9 protože ionty většinou ovlivňují vodivost MUT, nezmění frekvenci senzoru. Proto, protože změna frekvence je považován za hlavní výstup snímače, iontové koncentrace změn je nepravděpodobné, že nejsou v rozporu s výsledky z glukózy související posun frekvence. Kromě toho, mastné kyseliny koncentrace variace uvnitř ISF je v rozmezí < 1 mM/l, a proto jeho účinky jsou minimální na posun frekvence ve srovnání s účinkem glukózy variace.,
Vliv fyziologického variace na odezvu snímače; zde pouze Na a Cl koncentrace byly změněny jako hlavní elektrolyty v ISF od 0 do 150 mM/l. I když maximální odchylka se děje v lidském těle je omezena z 136-150 mM/l, přehánět variace je testován zde představuje proof of concept., Lze vidět, že koncentrace fyziologického roztoku má významný vliv na amplitudu odezvy, ale jeho výsledný posun frekvence je méně než 20 KHz, což je zcela zanedbatelné. Případ by byl v reálném životě ještě zanedbatelnější, kvůli menším změnám v elektrolytech.
Další důležitý parametr, aby zvážila, iontové koncentrace, změny, které se projevují jako důsledek hydratace úrovně. Například mírná dehydratace se často vyskytuje pravidelně u lidí., Dehydratace přímo ovlivňuje obsah vody v ISF a proto by mohly změnit jeho permitivita a následně ovlivňuje výkon a přesnost senzoru. Metoda přípravy vzorku je uvedena v další části. Obrázek 10 představuje frekvenční posun versus procento dehydratace se všemi ostatními proměnnými, které zůstávají konstantní. Naše výsledky ukazují, že nízká až střední dehydratace má menší vliv na frekvenční posun ještě menší než účinek změny koncentrace glukózy 1 mM / l., Těžká dehydratace má však potenciál interferovat s frekvenčním posunem vyplývajícím z variací glukózy, a proto ohrozit citlivost snímače na glukózu. Další vývoj této senzorové technologie proto bude muset zvážit dopad těžké dehydratace na přesnost senzoru. Real-time použitelnost senzoru je dosaženo díky rychlé kolísání koncentrace glukózy v MUT výsledky v jeho dielektrické permitivity, která změní efektivní permitivita snímače prostředí a následně výsledky ve frekvenční posun (viz Eq. 1).,
Frekvenční posun jako výsledek dehydratace. Bylo vidět, že nízká až střední dehydratace (až 5%) má velmi malé rušení odezvy senzoru. Těžká dehydratace by však mohla mít stejný dopad na frekvenční posun jako změna koncentrace glukózy asi 50 mM / l. I když to má za následek obrovskou chybu, těžká dehydratace je smrtelný problém a pacienti by měli být okamžitě hospitalizováni., Takže bychom mohli považovat účinek nízké až střední dehydratace za minimální chybu, která je menší než dopad 0,3 mM/L změny koncentrace glukózy.
komplexní srovnání mezi představila strukturu a některé z state-of-the umění funguje pomocí jiných metod, než mikrovlnná trouba je uvedeno v Tabulce 1. Další kvantitativní srovnání různých glukózových senzorů založených na mikrovlnných technikách a aktuálního článku je uvedeno v tabulce 2., I když, některé souhrnné práce se zdá, že mají vyšší citlivost než navrhované práce, ale ty jsou většinou v důsledku nižší vzdálenosti mezi rezonátory a vzorku díky použití extra tenké mikrofluidní kanály. Toto odůvodnění je zcela v souladu s konceptem uvedeným na obr. 2. Bylo to vidět z obr. 2e, že frekvenční posun (tj. citlivost) je drasticky snížen se zvýšením vzdálenosti vzorku od senzoru exponenciálním způsobem., Představujeme návrh a testování neinvazivní glukózy snímačem s velmi vysokou citlivostí i přes značnou vzdálenost mezi snímačem a testování médium, které by se očekávat, že v reálném životě biosensing aplikací.