I dette afsnit den foreslåede glucose monitoring sensor er præsenteret sammen med de skemaer, design-tilgang, udvalgte parametre, egenskaber, analyse og forskellige gennemført forsøg til glukose koncentration måling i forskellige betingelser, samt en intens diskussion, herunder analyse af forskellige parametre for effekter på målingen.,
Spånløs bearbejdning tag resonator sensor design
Figur 2 viser i perspektiv af feltet koncentrationer af spånløs bearbejdning mikrobølgeovn sensor for glucose sensing applikationer. Sensoren er en ringformet kobberspor designet til at arbejde omkring 4 GH., som vist i Fig. 2., Denne frekvens er valgt, fordi der er en betydelig forskel mellem vand, da det vigtigste materiale i interstitiel væske, og mættet glukoseopløsning permittivity, mens deres tab faktorer, der er stadig små, og derfor at måle på denne frekvens vil resultere i en betydelig frekvens skift og dermed enheden sensitivity46. Da tabsfaktoren ved denne frekvens stadig er lav for vand, forbliver resonatorens kvalitetsfaktor høj, hvilket er af stor betydning for målinger med høj præcision., Da sensoren er konstrueret af to resonatorer, er der to toppe og hak i spektret. I denne måling vil kun hakket relateret til mærket blive overvejet. Som vist i Fig. 2 overvejer sensoren variationerne i mediet, der er introduceret til mærket, som er hud og dets nedenunder, herunder interstitiel væske og blod afhængigt af sensorens monteringssted. Variationer i materialer permittivitet i de regioner, der udsættes for højere koncentration felter har mere Bidrag til frekvensskift. Til kvantificering af denne kendsgerning, i Fig., 2 vises en MUT med forskellige lag stablet over sensoren. Alle lagene har samme dielektriske permittivitet på 1 og samme tykkelse på 1 mm, og kun permittiviteten af en af dem ændres til 2 ved hvert trin. Resultater illustreret i Fig. 2c verificerer vores begrundelser. Baseret på denne observation ser det ud til, at glukosekoncentrationsvariationer i ISF har meget mere indflydelse på sensorens frekvensskift end dens variationer i blod. Derfor modelleres kun væsker og komponenter af ISF i de efterfølgende underafsnit.,
Detektionsmekanisme
i denne del beskrives forskellige parametre, der anvendes som udgange eller detektionsmekanismer for den præsenterede sensor til glukoseovervågning. Der vil også blive givet nogle højfrekvente simuleringer og analyser, der verificerer overherredømme af udførelsen af den foreslåede sensor.,
Frekvens variation
resonansfrekvens, mikrobølgeovn split ring resonatorer (fr) er en funktion af det inverse effektiv permittivity (er,eff) af resonatoren er environment47 der er generelt en ukendt funktion af substrat dielektriske permittivity og permittivity af den eksperimentelle opsætning og MUT så godt.
Når MUT introduceres til en resonator, ændres systemets samlede effektive permittivitet og derfor resonansfrekvensen for resonatoren., Dette skift i resonansfrekvensen er derfor et mål for bestemmelse af det indførte materiale for et konstant volumen. Frekvensskift måling er en robust parameter mod additiv støj og også er let at måle. Aflæsningskredsløb er let udviklet med detektionsgrænserne i området 100 ppb (dele pr.
Amplitude variation
en anden output af mikrobølge resonator, som kunne være uvurderlig for at opnå et indblik i MUT er amplitude variation., Amplitudevariation forekommer for det meste som følge af variationer i ledningsevne af MUT49. Dette sker normalt, når koncentrationen af elektrolytter ændres inde i ISF. Da materialernes konduktivitetsspektrum adskiller sig i trend (hvis ikke helt ortogonalt) fra deres permittivitet, kan det være meget nyttigt at studere amplitudevariationer.
følsomhedsanalyse
i betragtning af frekvensskift som hovedudgangsparameter for sensoren kunne følsomhed defineres som frekvensskift versus permittivitetsvariationer af MUT for et bestemt volumen., Da hver forskning anvender vilkårlig container volumen og form, for at have en meningsfuld forståelse af følsomhed forbedring i den foreslåede sensor, en sammenligning mellem traditionel mikrobølgeovn resonatorer og den nuværende indført sensor designet på samme frekvens, der er præsenteret her. Som illustreret i Fig. 3 indføres et overfladisk materiale med specifikt volumen og form, der dækker hele området af begge resonatorer med er = 4, som MUT. Frekvensskiftet skyldtes relativ permittivitetsvariation til 10 for den foreslåede sensor er 700 MH., hvilket er mere end 3.,5 gange højere end frekvensskiftet for den traditionelle resonator. Begrænset følsomhed af den traditionelle resonator er som følge af begrænsede elektromagnetiske felter mellem resonatoren og dens jordplan (se Fig. 2a). I traditionelle resonatorer har substrat på grund af dette fænomen en vigtigere rolle i definitionen af resonansfrekvensen snarere end MUT. På grund af fjernelsen af substratet for mærket i det præsenterede arbejde er den vigtigste variable parameter, der definerer tagets resonansfrekvens, MUT-permittiviteten., For at studere dette koncept er der opnået en anden simulering for både konventionelle og præsenterede resonatorer. Som vist i Fig. 4 er der anvendt forskellig substratpermittivitet med forskellig permittivitet for MUT til både traditionelle og de foreslåede sensorer. Det kunne ses, at substratpermittivitet for traditionelle resonatorsensorer er den dominerende parameter til bestemmelse af strukturens resonansfrekvens, mens påvirkningen af substratpermittivitetsvariationer på den foreslåede sensor er meget lille og endda ubetydelig., For det resterende af dette papir definerer vi følsomhed som frekvensvariationen som følge af 1 mM / l glukosekoncentrationsændring til en specifik testopsætning.
Følsomhed sammenligning mellem præsenteret sensor og traditionel mikrobølgeovn resonator sensorer. (a) foreslået sensorfølsomhedstestopsætning med et overfladisk materiale med den relative permittivitet mellem 1 (bare resonator) og 10. (B) traditionel mikrobølge resonator sensor med samme volumen og permittivitet., (C) og (d) spektret af begge opsætninger fra henholdsvis afsnit a) og B) samt deres resulterende spektrum fra MUT relative permittivitetsvariationer fra er = 1 til er = 10. Det kunne ses, at frekvensskift relateret til den foreslåede sensor er 700 MH. (C) i sammenligning med 200 MH. for den traditionelle sensor (d) under samme tilstand.,
Sammenligning mellem virkningen af substrat i bestemmelse af resonans frekvens af den traditionelle og den foreslåede sensorer. Frekvensskift versus MUT permittivitet for forskellige permittivitetsværdier for substrat for (a) traditionelle sensorer, (B) foreslåede sensorer; det kunne ses, at virkningen af substratpermittivitet i traditionelle resonatorsensorer er dominerende, mens dens påvirkning er ubetydelig for den foreslåede sensor., Dette er grunden til højere opnåede følsomhed af dette design i sammenligning med de traditionelle sensorer.
Fjernmålingsanalyse
et andet bemærkelsesværdigt træk ved det præsenterede arbejde er fjernfølingsevnen. Denne egenskab er især vigtig for bærbare elektroniske applikationer. Ud over evnen til at indlejre læseren i et smart ur, telefon eller en gadget, bringer denne bemærkelsesværdige funktion nye vigtige fordele som nul strømforbrug, ekstremt lave omkostninger og lille størrelse til sensing tag., For at få et bedre indblik i denne egenskab, en anden simulation er blevet opnået ved at placere MUT med særlige forhold permittivity på toppen af tag og øge afstanden mellem læser og tag. Det kunne ses i Fig. 5 det mærke fortsætter med at kommunikere med læseren i næsten 11 mm med absolut nul effekt, hvilket er helt nok til vores applikation.,
(a) Simulering setup til karakterisering af afstand måling af den foreslåede sensor (billedet er hentet fra HFSS). b) Definition af forholdet mellem hak og signalgulv (NSFR) for den præsenterede simulering. c) signalets NSFR i forhold til sensorens afstand fra læseren.,
eksperimenter
Der er udført forskellige målinger, der verificerer ydelsen af den foreslåede ikke-invasive glukosemåler. Først og fremmest udføres glukosekoncentrationsmåling i deioniseret (DI) vand. Til undersøgelse af konsistens og stabilitet af sensoren samt opsætning udføres en return-to zeroero-test med så høje koncentrationer af glucose som 200 mM / l (fig. 6)., Selv om denne værdi er urealistisk høj, men det vil give uvurderlig indsigt gennem konsistens af sensoren ydeevne ved at indføre DI vand med nul glukose koncentration og DI vand med 200 mM/l glukose koncentration alternativt til sensoren. Figur 6d skitserer resonansfrekvens hak amplitude af S21 respons af sensoren. Det kunne ses, at sensorresponsen er både stabil og gentagelig. Også høj følsomhed karakteristisk for sensoren er mærkbar., Så vidt vi ved, er den opnåede følsomhed af dette arbejde, 60 kh./1 mM / l glukosekoncentration, som er bedre end de bedste resultater rapporteret i litteraturen uanset form og volumen af MUT. Dette betyder, at sensorens respons er mindre modtagelig for miljøstøj end dens konventionelle modstykker.
(a) S21 eksperimentelle respons af sensoren for ekstreme tilfælde af at indføre prøver med 0 mM/l og 200 mM/l med glucose koncentration fo sensoren., b) frekvensændring i forhold til glukosekoncentrationen i det ekstreme tilfælde af 0 og 200 mM/l glukosekoncentration i DI-vand. Det kunne ses, at sensorens respons er meget konsistent og gentagelig. c) Amplitudeforskydning i forhold til glukosekoncentrationen i det ekstreme tilfælde af 0 og 200 mM/l glukosekoncentration i DI-vand. d) sensorens S21-respons ved små variationer af glukosekoncentrationen i DI-vand fra 0 til 40 mM/l. e) frekvensskift i forhold til glukosekoncentrationen ved koncentrationsvariationer fra 0 til 40 mM/l., Det kunne ses, at der er opnået gode resultater med meget høj gennemsnitlig følsomhed på 60 kh./1 mM/l glukosekoncentration. (f) og Amplitude shift versus glukose koncentration, koncentration variationer fra 0 til 40 mM/l.
For det næste skridt, prøver er udarbejdet med 10 volumetrisk procent af hest serum til modellering ISF. Både return-to zeroero og små variationer af glukosekoncentrationsprøver er blevet testet med lovende resultater opnået som skitseret i fig. 7., For at opnå en bedre ide om sensorens ydeevne er det almindeligt at adressere glukosekoncentrationen versus frekvensskiftet som de målte data. En interpolationskurvetilpasningsproces udføres derefter baseret på de resulterende data. Disse resultater er præsenteret i Fig. 7d.
Eksperimentelle resultater af prøver med glukose koncentration i DEIONISERET vand med 10% af hest serum indhold. a) sensorens S21-respons for glucosekoncentrationer fra 0 til 30 mM/l., b) Amplitudevariationer versus glucosekoncentration fra samme forsøg. c) frekvensskift i forhold til glucosekoncentrationen. Det kan ses, at den totale permittivitet af vandserumopløsningen i henhold til lavere permittivitet af serum i sammenligning med vand reduceres, og derfor reduceres virkningen af glukosevariationen på opløsningens samlede permittivitet, hvilket resulterer i en lavere følsomhed på 43 kh./1 mM/l glucosekoncentration., (hvis vi havde vendt tilbage til nul resultater, kunne vi også integrere dem med denne figur), (d) en kalibreringskurve for glukosekoncentration versus det målte frekvensskift. Bemærk, at kalibreringskurven giver en rimelig pasform med datapunktet på trods af nogle fejl, der kan være relateret til mindre variation i de eksperimentelle prøver.
for yderligere At efterligne en mere fysiologisk tilstand, vi udførte glucose sensing eksperimenter gennem et lag af musen hud., I disse forsøg indgår saltvand i prøven med elektrolytter og ionkoncentrationer beskrevet i afsnittet “Resultater og diskussion”. Ifølge konduktivitetsforøgelsen af prøverne øges amplituden af hakfrekvensen. 300 µm tykkelse indpakket inde i en forseglet plastpose mellem sensoren og væsken. Derfor er prøven placeret i længere afstand fra sensoren. Som illustreret i Fig. 8 er følsomheden af sensoren nedsat med samme begrundelse som Fig., 2 som følge af at øge afstanden mellem ISF-prøven og sensoren. Systemets følsomhed over for ændringer i glukosekoncentration er dog stadig bedre end andre ikke-invasive teknologier, der hidtil er offentliggjort.
Eksperimentelle resultater af effekten af glucose koncentration variation i prøver med DEIONISERET vand + serum + saltvandsopløsning. a) sensorens frekvensskift som reaktion på at ændre glucosekoncentrationen fra nul til 200 mM/l., Det kunne ses, at den foreslåede sensor præsenterer en stabil og gentagelig respons over tid. (B) frekvensskift af sensoren som reaktion på lille variation af glucosekoncentrationen. Det kunne ses, at ifølge indføring af huden mellem sensoren og prøven reduceres den samlede følsomhed til 38 kh./1 mM/l af glucosekoncentrationsvariation.
Diskussion
selvom mikrobølgeresonatorer har imponerende egenskaber, er der stadig et meget udfordrende problem tilbage., Da enhver variation i permittiviteten af MUT afspejles i resonatorens frekvensskift, er der en bekymring over usikkerheden om den faktiske kilde til frekvensskift. For at løse dette problem er der en omfattende diskussionsdel, herunder nogle eksperimenter.
den præsenterede sensor sigter mod at måle glukosekoncentration i ISF, som er en væske, der indeholder omkring 40% af menneskets kropsvand, der omgiver cellerne, der fungerer som næringsstoftransport fra blodkapillærer og affaldssamlingsmedium til cellerne., Ud over vand og plasma indeholder ISF også glukose, fedtsyrer og salte. Indtil videre er glukosevariationseffekter blevet testet. Her giver vi nogle eksperimenter til at studere virkningerne af mineralvariationer på sensorens frekvensskift. De vigtigste ioner i ISF er natrium, kalium, chlorid, calcium, magnesium, bicarbonat og fosfat. Da natrium – og chloridioner har en eller flere størrelsesordener højere variation interval i sammenligning med de andre ioner, af hensyn til enkelhed, de betragtes som de eneste variable ioner forsøgene. Det kunne ses fra Fig., 9, Da ioner for det meste påvirker MUT ‘ ens ledningsevne, ændrer det ikke sensorens frekvens. Da frekvensændring derfor betragtes som sensorens hovedudgang, vil ionkoncentrationsvariationer sandsynligvis ikke forstyrre resultater fra glukoserelateret frekvensskift. Derudover er fedtsyrekoncentrationsvariationen inde i ISF i området < 1 mM / l, og derfor er dens virkninger minimal på frekvensskiftet i sammenligning med effekten af glukosevariation.,
Effekt af saltvand variationer på svar af sensor, her kun Na og Cl-koncentrationer, der er blevet ændret som de store elektrolytter i ISF fra 0 til 150 mM/l. Selv om den maksimale variation, der sker i den menneskelige krop er begrænset fra 136-150 mM/l, en overdrive variation er testet her for at præsenterer proof of concept., Det kunne ses, at saltvandskoncentrationen har stor indflydelse på amplituden af responsen, men dens resulterende frekvensskift er mindre end 20 KH., hvilket er helt ubetydeligt. Sagen ville være endnu mere ubetydelig i det virkelige liv tilfælde på grund af mindre variationer i elektrolytterne.
en anden vigtig parameter at overveje er ioniske koncentrationsændringer, der manifesterer sig som et resultat af hydratiseringsniveauer. For eksempel forekommer mild dehydrering ofte regelmæssigt hos mennesker., Dehydrering påvirker direkte vandindholdet i ISF og kan derfor ændre dets permittivitet og påvirker følgelig sensorens ydeevne og præcision. Prøveforberedelsesmetode præsenteres i næste afsnit. Figur 10 viser frekvensskiftet versus dehydreringsprocenten med alle de andre variabler, der forbliver konstante. Vores resultater viser, at lav til moderat dehydrering har en mindre effekt på frekvensskiftet endnu mindre end effekten af 1 mM/l variation i glukosekoncentration., Imidlertid har alvorlig dehydrering potentialet til at forstyrre frekvensskiftet som følge af glukosevariationer og kompromitterer derfor sensorens glukosefølsomhed. Derfor skal videreudvikling af denne sensorteknologi overveje virkningen af alvorlig dehydrering på sensornøjagtigheden. Sensorens realtidsanvendelse opnås på grund af øjeblikkelig variation i glukosekoncentrationen i MUT resulterer i dens dielektriske permittivitet, som ændrer den effektive permittivitet i sensorens miljø og følgelig resulterer i frekvensskift (se e.. 1).,
Frekvens skift som resultaterne af dehydrering. Det kunne ses, at lav til moderat dehydrering (op til 5%) har meget lille interferens med sensorens respons. Men alvorlig dehydrering kan have samme indflydelse på frekvensskiftet som omkring 50 mM/l variation i glukosekoncentration. Selvom det resulterer i stor fejl, er alvorlig dehydrering et dødbringende problem, og patienter bør indlægges straks i overensstemmelse hermed., Så man kunne overveje effekten af lav til moderat dehydrering som en minimal fejl, der er mindre end virkningen af 0.3 mM/l variation i glukosekoncentration.
En omfattende sammenligning mellem den præsenterede struktur og nogle af state-of-the-art værker ved hjælp af andre metoder end mikrobølgeovn er skitseret i Tabel 1. En anden kvantitativ sammenligning mellem forskellige mikrobølgeteknikker-baserede glukosesensorer og det aktuelle papir er præsenteret i tabel 2., Selv om nogle af de opsummerede værker synes at have en højere følsomhed end det foreslåede arbejde, men de er for det meste som følge af lavere afstande mellem deres resonatorer og prøve på grund af brug af ekstra-tynd mikrofluid-kanaler. Denne begrundelse er helt i overensstemmelse med det koncept, der er præsenteret i Fig. 2. Det kunne ses fra Fig. 2e, at frekvensskiftet (dvs.følsomheden) reduceres drastisk med at øge afstanden af prøven fra sensoren på en eksponentiel måde., Vi præsenterer design og test af non-invasive glucose sensor med en meget høj følsomhed på trods af den store afstand mellem sensor og test-medium, der kunne forventes i det virkelige liv biosensorer applikationer.