tässä osiossa ehdotetut glukoosi-valvonta-anturi on esitetty rinnalla piirustukset, suunnittelun lähestymistapa, vierailla on käytössään seuraavat parametrit, ominaisuuksia, analyysi, ja eri aikaan kokeiluja glukoosin pitoisuuden mittaus eri olosuhteissa sekä intensiivisen keskustelun mukaan lukien analyysi eri parametrien vaikutuksia mittaukseen.,
Chipless tag resonaattori anturi suunnittelu
Kuvassa 2 on esitetty perspektiivikuva kentän pitoisuudet chipless mikroaaltouuni anturi glukoosin tunnistus sovelluksia. Anturi on rengasmainen kuparijälki, joka on suunniteltu toimimaan noin 4 GHz, kuten kuvassa. 2., Tämä taajuus on valittu, koska siellä on huomattava ero vettä, koska tärkein materiaali soluvälinesteen, ja tyydyttyneitä glukoosi ratkaisu permittiivisyys, kun niiden menetys tekijät ovat vielä pieniä, ja siksi mittaus tällä taajuudella johtaa merkittävään frequency shift ja siten laitteen sensitivity46. Myös, koska häviökerroin tällä taajuudella on edelleen alhainen veden, laadun tekijä resonaattori on edelleen korkea, jolla on suuri merkitys korkean tarkkuuden mittaukset., Koska anturi on rakennettu kahdesta resonaattorista, spektrissä on kaksi piikkiä ja lovia. Tässä mittauksessa otetaan huomioon vain tunnisteeseen liittyvä lovi. Kuten kuvassa. 2, anturi pohtii vaihtelut keskipitkällä käyttöön tag, joka on ihon ja sen alla mukaan lukien interstitiaalinen nestettä ja verta riippuen anturin asennuspaikka. Vaihtelut materiaalien permittiivisyys alueilla kohdistuu suurempi pitoisuus aloilla on enemmän panos taajuuden muutos. Kvantifioidakseen tämän tosiasian, Kuvassa., 2, MUT erilaisia kerroksia pinottu yläpuolella anturi esitetään. Kaikki kerrokset on sama dielektrinen permittiivisyys on 1 ja sama paksuus 1 mm, ja vain permittiivisyys yksi heistä on muuttunut 2 kussakin vaiheessa. Tulokset kuvitettu kuva. 2c vahvistaa oikeutuksemme. Tämän havainnon perusteella vaikuttaa siltä, että ISF: n glukoosipitoisuuden vaihtelut vaikuttavat paljon enemmän anturin taajuusmuutokseen kuin sen vaihtelut veressä. Siksi seuraavissa alakohdissa mallinnetaan vain ISF: n nesteitä ja komponentteja.,
Havaitseminen mekanismi
tässä osassa, eri parametrien hyödyntää lähdöt tai havaitsemisen mekanismeja esitetty anturi verensokerin seurantaa on kuvattu. Lisäksi tarjotaan joitakin korkean taajuuden simulaatioita ja analyysejä, joilla varmistetaan ehdotetun anturin suorituskyvyn Ylivalta.,
Taajuuden vaihtelu
resonanssitaajuus mikroaaltouuni split rengas resonaattoreita (fr) on toiminto, käänteinen efektiivinen permittiivisyys (er,ektr) ja resonaattori environment47 joka on yleensä tuntematon toiminto alustan dielektrinen permittiivisyys ja permittiivisyys kokeellinen setup ja MUT samoin.
Kun MUT on otettu käyttöön resonaattori, yleinen efektiivinen permittiivisyys järjestelmä on muuttunut ja siksi resonanssi taajuus resonaattori., Tämä resonanssitaajuuden muutos on siis toimenpide, jolla määritetään käyttöön otettu materiaali vakiomäärälle. Taajuussiirtomittaus on vankka parametri lisäainemelua vastaan ja se on myös helppo mitata. Lukema piiri on kehitetty tunnistus rajat välillä 100 ppb (parts per billion) helposti, joka tekee korkean resoluution frequency shift mittaus sekä tarkka ja straightforward48.
Amplitudin vaihtelu
Toinen lähtö mikroaaltouuni resonaattori, joka voi olla korvaamaton saavuttaa käsityksen siitä, MUT on amplitudin vaihtelu., Amplitudin vaihtelu tapahtuu useimmiten MUT49: n johtavuuden vaihteluiden seurauksena. Tämä tapahtuu yleensä, kun elektrolyyttien pitoisuus muuttuu ISF: n sisällä. Koska johtavuus kirjo materiaaleja eroaa suuntaus (jos ei täysin ortogonaalisia) niiden permittiivisyys, opiskelu amplitudi vaihtelut voi olla erittäin hyödyllistä.
herkkyysanalyysi
Ottaen huomioon, taajuus-shift tärkein tuotos parametri anturi, herkkyys voidaan määritellä taajuus muutos vs. permittiivisyys muunnelmia MUT tietty määrä., Koska jokainen tutkimus käyttää mielivaltainen säiliön tilavuus ja muoto, jotta mielekäs käsitys herkkyys parantaminen ehdotetun anturi, vertailu perinteinen mikroaaltouuni resonaattoreita ja nykyinen käyttöön anturi on suunniteltu samalla taajuudella on esitetty täällä. Kuten kuvassa on kuvattu. 3, pinnallinen materiaali, jonka tilavuus ja muoto kattavat koko alueen sekä resonaattorit er = 4 otetaan käyttöön MUT. Taajuusmuutos aiheutui ehdotetun anturin suhteellisesta permittiivisyysvaihtelusta 10: een 700 MHz: n taajuudella, joka on yli 3.,5 kertaa suurempi kuin perinteisen resonaattorin taajuusmuutos. Perinteisen resonaattorin rajallinen herkkyys johtuu suljetuista sähkömagneettisista kentistä resonaattorin ja sen maatason välillä(KS. Kuva. 2 a). Perinteisessä resonaattoreita, koska tämä ilmiö, alustan on tärkeämpi rooli määriteltäessä resonanssitaajuus pikemminkin kuin MUT. Koska poistamalla alustan tag esitetty työtä, tärkein muuttuja parametri määritellään resonanssi taajuus tag on MUT permittiivisyys., Tämän konseptin tutkimiseen on tehty toinen simulaatio sekä perinteisille että esitellyille resonaattoreille. Kuten kuvassa. 4, eri alustan permittiivisyys on käytetty eri permittiivisyys MUT sekä perinteinen ja ehdotettu anturit. Se voi olla nähty, että perinteinen resonaattori antureita, alustan permittiivisyys on hallitseva parametri määritetään resonanssitaajuus rakenne, kun taas vaikutus alustan permittiivisyys muunnelmia ehdotettu anturi on hyvin pieni ja jopa olematon., Jäljellä olevan paperin osalta määrittelemme herkkyyden, koska taajuusvaihtelu johtui 1 mM/l glukoosipitoisuuden muutoksesta tietyssä testiasetuksessa.
Herkkyys vertailu esitetään anturi ja perinteinen mikroaaltouuni resonaattori anturit. (a) ehdotetut sensoriherkkyystestin asetukset pinnallisella materiaalilla, jonka suhteellinen läpäisevyys on välillä 1 (paljas resonaattori) ja 10. (b) perinteinen mikroaaltouuni resonaattori anturi sama tilavuus ja permittiivisyys., (c) ja (d) spektri sekä asetelmia kohdat (a) ja (b) vastaavasti, sekä niiden seurauksena aallonpituuksilla päässä MUT suhteellinen permittiivisyys vaihtelee er = 1, er = 10. Se voisi olla nähnyt, taajuus-shift, jotka liittyvät ehdotetun anturi on 700 MHz: n (c) verrattuna 200 MHz perinteinen anturi (d) alla samassa kunnossa.,
Vertailu vaikutusta substraatin määrittämiseksi resonanssi taajuus perinteinen ja ehdotti anturit. Frequency shift vastaan MUT permittiivisyys eri permittiivisyys arvot substraatti (a) perinteiset anturit, (b) ehdotetun anturit; se voisi olla nähnyt, että vaikutus alustan permittiivisyys perinteistä resonaattorin anturit on hallitseva, kun sen vaikutus on vähäinen ehdotetun anturi., Tämä on syy suurempi saavutettu herkkyys tämän mallin verrattuna perinteisiin antureihin.
Kaukainen mittaus-analyysi
Toinen merkittävä ominaisuus esitetty työ on kaukana tunnistusominaisuus. Tämä ominaisuus on erityisen tärkeä puettaville sähköisille sovelluksille. Lisäksi kyky upottaa lukija smart watch, puhelimella tai gadget, tämä merkittävä ominaisuus tuo uusia ensiarvoisen tärkeitä etuja, kuten nolla virrankulutus, erittäin edullinen, ja pieni koko tunnistus tunnisteen., Ottaa paremman käsityksen tämä ominaisuus, toinen simulointi on suoritettu asettamalla MUT erityisiä suhteellinen permittiivisyys päälle tunnisteen ja lisäämällä etäisyyttä lukijan ja tunnisteen. Se voidaan nähdä Fig. 5 tag jatkaa kommunikoida lukijan kanssa lähes 11 mm täysin nolla voima, joka on täysin riitä, meidän sovellus.,
(a) Simulaatio asetukset luonnehdinta etäisyyden mittaus ehdotetun anturi (kuva on saatu HFSS). (b) notch to signal floor-suhteen (NSFR) määrittely esitettyä simulaatiota varten. c) signaalin NSFR vastaan anturin etäisyys lukijasta.,
Kokeiluja
Eri mittaukset on suoritettu tarkastaa suorituskykyä ehdotettu ei-invasiivinen verensokerin mittaus anturi. Ensinnäkin glukoosipitoisuus mitataan deionisoidussa (DI) vedessä. Opiskeluun johdonmukaisuutta ja vakautta anturi sekä setup return-to-nolla-testi on suoritettu, koska korkea pitoisuus glukoosia 200 mM/l (Kuva. 6)., Vaikka tämä arvo on epärealistisen korkea, mutta se antaa arvokasta tietoa kautta johdonmukaisuutta anturin suorituskyky ottamalla käyttöön DI vettä nolla glukoosin pitoisuus-ja DI-vettä, jossa on 200 mM/l glukoosin pitoisuus vaihtoehtoisesti anturi. Kuva 6D luonnoksia resonanssi taajuus lovi Amplitudi S21 vasteen anturi. Voidaan nähdä, että anturivaste on sekä vakaa että toistettavissa. Myös sensorille ominainen korkea herkkyys on havaittavissa., Parhaan tietomme, saavutettu herkkyys tämän työn, 60 kHz/1 mM/l glukoosi pitoisuus, joka on ylivoimainen parhaat tulokset raportoitu kirjallisuudessa riippumatta siitä, muoto ja tilavuus MUT. Tämä tarkoittaa, vastaus anturi on vähemmän altis ympäristön ääniä kuin sen perinteiset kollegansa.
(a) S21 kokeellinen vaste anturi äärimmäisessä tapauksessa ottaa näytteitä 0 mM/l ja 200 mM/l glukoosin pitoisuus fo-anturi., (b) Taajuuden muutos vs. glukoosi pitoisuus äärimmäisessä tapauksessa 0 ja 200 mM/l glukoosin pitoisuus DI-vettä. Voidaan nähdä, että sensorin vaste on hyvin johdonmukainen ja toistettavissa. (c) Amplitudi muutos vs. glukoosi pitoisuus äärimmäisessä tapauksessa 0 ja 200 mM/l glukoosin pitoisuus DI-vettä. (d) S21 vastaus anturi pienet vaihtelut glukoosin pitoisuus DI-vesi 0 40 mM/l. (e) Taajuuden muutos vs. glukoosi pitoisuus pitoisuus vaihtelee 0-40 mM/l., Voidaan havaita, että suuria tuloksia on saavutettu, kun glukoosipitoisuuden keskimääräinen herkkyys on erittäin korkea 60 kHz/1 mM/l. (f) Amplitudi muutos vs. glukoosi pitoisuus pitoisuus vaihtelee 0-40 mM/l.
seuraava askel, näytteet valmistetaan 10: n prosentin hevosen seerumin mallintaminen ISF. Sekä tuotto-nolla ja pienet vaihtelut glukoosin pitoisuus näytteitä on testattu lupaavia tuloksia kuin hahmoteltu Kuva. 7., Sensorin suorituskykyä koskevan paremman käsityksen saavuttamiseksi on tavallista, että mittaustietona käsitellään glukoosipitoisuutta ja taajuusmuutosta. Tämän jälkeen suoritetaan interpolointikäyrän sovitus, joka perustuu saatuihin tietoihin. Nämä tulokset on esitetty kuvassa. 7d.
Kokeelliset tulokset näytteiden, joilla on glukoosi-pitoisuus DI-vettä, jossa on 10% hevosen seerumia sisältöä. a) sensorin S21-vaste glukoosipitoisuuksille 0-30 mM/l., (b) amplitudin vaihtelut suhteessa glukoosipitoisuuteen samasta kokeesta. C) Taajuusmuutos suhteessa glukoosipitoisuuteen. Se voisi olla nähnyt, että mukaan pienempi permittiivisyys seerumin verrattuna vettä, yhteensä permittiivisyys vesi-seerumin ratkaisu on vähennetty ja näin ollen vaikutus glukoosi vaihtelu on yleistä permittiivisyys ratkaisu on vähentää sekä joka johtaa pienempi herkkyys 43 kHz/1 mM/l glukoosi pitoisuus., (jos olisimme palata nolla tuloksia voisimme integroida niitä tässä kuva samoin), (d) kalibrointi käyrä glukoosin pitoisuus vs. mitattu taajuuden muutos. Huomaa, että kalibrointikäyrä sopii kohtuudella datapisteeseen huolimatta joistakin virheistä, jotka voivat liittyä kokeellisten näytteiden vähäiseen vaihteluun.
edelleen jäljittelevät enemmän fysiologinen tila, me suoriteta glukoosin tunnistus kokeiluja kerroksen läpi hiiren ihoa., Näissä kokeissa, suolaliuos on mukana otoksessa, elektrolyyttejä ja ionien pitoisuudet on kuvattu kohdassa ”Tulokset ja keskustelu” – osiossa. Näytteiden johtavuuden lisääntymisen mukaan lovitaajuuden amplitudi kasvaa. Tässä kokeessa käytetään sensorin ja nesteen väliin ajeltua hiirten ihoa, jonka paksuus on noin 300 µm ja joka on kääritty suljettuun muovipussiin. Näin ollen näyte sijaitsee kauempana anturista. Kuten kuvassa on kuvattu. 8, sensorin herkkyys vähenee samalla perustelulla kuin Fig., 2 Isf-näytteen ja anturin välisen etäisyyden lisäämisen seurauksena. Järjestelmän herkkyys glukoosipitoisuuden muutoksille on kuitenkin vielä parempi kuin muut tähän mennessä julkaistut ei-invasiiviset tekniikat.
Kokeellisia tuloksia ja vaikutuksia glukoosi pitoisuuden vaihtelu näytteiden DI vesi + seerumi + suolaliuosta. (a) Frequency shift anturin niin vastaus vaihtoehtoisesti muuttaa glukoosin pitoisuus nollasta 200 mM/l., Voidaan nähdä, että ehdotettu anturi antaa vakaan ja toistettavan vastauksen ajan kuluessa. (b) anturin Taajuusmuutos glukoosipitoisuuden pienen vaihtelun vasteena. Voidaan nähdä, että anturin ja näytteen välisen ihon esittelyn mukaan kokonaisherkkyys pienenee 38 kHz/1 mM/l glukoosipitoisuuden vaihteluun.
Keskustelua
Vaikka mikroaaltouuni resonaattoreita hallussaan vaikuttava ominaisuuksia, on edelleen erittäin haastava ongelma pysyi., Koska mitään muutoksia permittiivisyys MUT näkyy taajuuden muutos resonaattori, on huoli epävarmuus todellinen lähde taajuuden muutos. Tämän kysymyksen käsittelemiseksi tarjotaan laaja keskusteluosa, johon sisältyy joitakin kokeiluja.
esitetty anturin tarkoituksena on mitata glukoosin pitoisuus ISF, joka on neste sisältää noin 40% ihmisen kehosta on vettä ympäröivä soluja toimii ravinteiden kuljettamiseen veren kapillaareja ja jätteiden keräämisen väline soluja., Veden ja plasman lisäksi ISF sisältää myös glukoosia, rasvahappoja ja suoloja. Toistaiseksi glukoosin vaihtelun vaikutuksia on testattu. Tässä, tarjoamme joitakin kokeita tutkia vaikutuksia mineraali vaihtelut taajuusmuutos anturi. Tärkeimmät ionit ISF ovat, natrium, kalium, kloridi, kalsium, magnesium, bikarbonaatti ja fosfaatti. Koska natrium-ja kloridi-ioneja on yhtä tai useampaa kertaluokkaa suurempi vaihteluväli verrattuna muihin ioneja, vuoksi yksinkertaisuus, niitä pidetään vain muuttuja ioneja kokeiluja. Se näkyi Figistä., 9 että koska ionit vaikuttavat lähinnä johtavuus MUT se ei muuta taajuus anturi. Näin ollen, koska taajuuden muutos pidetään tärkein tuotos anturi, ioninen pitoisuus vaihtelu ei todennäköisesti häiritse tuloksia glukoosi liittyvät taajuuden muutos. Lisäksi rasvahappojen pitoisuuden vaihtelu sisällä ISF on välillä < 1 mM/l, ja sen vuoksi sen vaikutukset ovat vähäisiä taajuudella muutos verrattuna vaikutus verensokerin vaihtelua.,
Vaikutus suolaliuosta muunnelmia vastaus-anturi; täällä vain Na ja Cl-pitoisuudet ovat muuttuneet niin suuret elektrolyyttejä ISF 0-150 mM/l. Vaikka suurin vaihtelu tapahtuu ihmisen kehossa on rajallinen alkaen 136-150 mM/l, on liioitella vaihtelu on testattu täällä esittelee proof of concept., Se voisi olla nähnyt, että suolapitoisuus on tärkeä vaikutus amplitudi vastausta, mutta sen tuloksena taajuuden muutos on vähemmän kuin 20 KHz, joka on täysin merkityksetön. Tapaus olisi vielä merkityksellisempi tosielämän tapauksessa, koska elektrolyyttien vaihtelu on vähäisempää.
Toinen tärkeä tekijä harkitsemaan on ioninen pitoisuus muutoksia, jotka ilmenevät seurauksena kosteustasapainoa. Esimerkiksi lievää nestehukkaa esiintyy ihmisillä usein säännöllisesti., Nestehukka vaikuttaa suoraan ISF: n vesipitoisuuteen ja voi siksi muuttaa sen permittiivisyyttä ja vaikuttaa näin sensorin suorituskykyyn ja tarkkuuteen. Näytteen valmistusmenetelmät esitetään seuraavassa jaksossa. Kuvassa 10 esitetään taajuusmuuttajien ja nestehukan välinen prosenttiosuus, kun kaikki muut muuttujat pysyvät muuttumattomina. Tuloksemme osoittavat, että matalalla tai kohtalaisella nestehukalla on vähäinen vaikutus taajuuden vaihteluun jopa vähemmän kuin 1 mM/l glukoosipitoisuuden vaihtelun vaikutus., Kuitenkin vakava nestehukka on potentiaalia häiritä frequency shift johtuvat verensokerin vaihteluita ja näin ollen heikentää glukoosin herkkyys anturi. Siksi tämän sensoriteknologian jatkokehityksessä on otettava huomioon vakavan nestehukan vaikutus sensorin tarkkuuteen. Reaaliaikainen sovellettavuus anturi on saavutettu, koska instant vaihtelu glukoosi pitoisuus MUT tulokset sen dielektrinen permittiivisyys, joka muuttaa efektiivinen permittiivisyys anturin ympäristö ja näin ollen tuloksia taajuuden vaihto (katso Eq. 1).,
Taajuus-shift tulokset nestehukka. Voidaan nähdä, että, alhainen tai kohtalainen kuivuminen (jopa 5%), on hyvin pieni häiriöitä vaste anturi. Vakava nestehukka voi kuitenkin vaikuttaa taajuusmuutokseen samalla tavalla kuin noin 50 mM/l glukoosipitoisuuden vaihtelu. Vaikka se johtaa valtava virhe, vakava kuivuminen on tappava ongelma ja potilaat olisi sairaalaan välittömästi vastaavasti., Vähäisen tai keskivaikean nestehukan vaikutusta voisi siis pitää vähäisenä virheenä, joka on vähemmän kuin glukoosipitoisuuden 0,3 mM/l vaihtelun vaikutus.
kattava vertailu esitetty rakenne, ja joistakin state-of-art toimii käyttämällä muita menetelmiä kuin mikroaaltouuni on kuvattu Taulukossa 1. Toinen kvantitatiivinen vertailu eri mikroaaltotekniikoihin perustuvien glukoosiantureiden ja nykyisen paperin välillä esitetään taulukossa 2., Vaikka, jotkut tiivistää toimii, näyttää olevan suurempi herkkyys kuin ehdotetun työn, mutta ne ovat enimmäkseen seurauksena pienempi etäisyys niiden resonaattoreita ja näytteen käytöstä johtuen extra-ohut mikrofluidinen kanavia. Tämä perustelu on täysin samaa mieltä, että konsepti esitellään Kuviossa. 2. Se näkyi Figistä. 2e, ettei taajuuden vaihto (eli herkkyys) on rajusti kasvava etäisyys näytteestä anturi eksponentiaalinen tavalla., Esittelemme suunnittelu ja testaus ei-invasiivisia glukoosi-anturi, jossa on erittäin korkea herkkyys huolimatta huomattava etäisyys anturin ja testaus väline, joka olisi odotettavissa tosielämän biosensing sovelluksia.