ebben A részben a javasolt glükóz ellenőrző szenzor bemutatása mellett a tervek tervezési megközelítés, kiemelt paraméterek, jellemzők, elemzés, valamint a különböző teljesítve kísérletek a glükóz koncentráció mérés a különböző feltételeket, valamint az intenzív vita beleértve elemzése különböző paraméterek hatása a mérés.,
Chipless tag resonator sensor design
a 2. ábra bemutatja a chipless mikrohullámú érzékelő terepi koncentrációjának perspektíváját glükóz érzékelő alkalmazásokhoz. Az érzékelő egy gyűrű alakú réz nyomvonal, amelyet 4 GHz körüli működésre terveztek, amint az az ábrán látható. 2., Ez a gyakoriság van kiválasztva, mert van egy jelentős különbség a között, hogy a víz, mint a fő anyag a interstitialis folyadék, a telített glükóz oldat permittivity, míg a veszteség tényező még kicsi, ezért a mérési ezen a frekvencián eredményez jelentős frekvencia változás, ezért a készülék sensitivity46. Mivel ezen a frekvencián a veszteségtényező még mindig alacsony a víz esetében, a rezonátor minőségi tényezője továbbra is magas marad, ami nagy jelentőséggel bír a nagy pontosságú mérésekhez., Mivel az érzékelő két rezonátorból áll, a spektrumban két csúcs és bevágás található. Ebben a mérésben csak a címkével kapcsolatos bevágást veszik figyelembe. Amint az ábrán látható. 2, az érzékelő az érzékelő rögzítési helyétől függően szemléli a címkére bevezetett közeg változásait, amely a bőr és annak alja, beleértve az interstitialis folyadékot és a vért is. A magasabb koncentrációs mezőknek kitett régiókban az anyagáteresztő képesség változásai nagyobb mértékben járulnak hozzá a frekvenciaváltáshoz. Számszerűsítésére ezt a tényt, ábra., (2) az érzékelő felett elhelyezett különböző rétegű MUT kerül bemutatásra. Minden réteg azonos dielektromos permittivitással rendelkezik 1, azonos vastagsága 1 mm, és csak az egyik permittivitása változik 2-re minden lépésnél. Eredmények illusztrált ábra. A 2C igazolja indoklásainkat. E megfigyelés alapján úgy tűnik, hogy az ISF glükózkoncentrációjának változása sokkal nagyobb hatással van az érzékelő frekvenciaváltására, mint a vér variációi. Ezért a következő alszakaszokban csak az ISF folyadékai és összetevői modellezhetők.,
észlelési mechanizmus
ebben a részben leírják a bemutatott érzékelő kimeneteként vagy kimutatási mechanizmusaként használt különböző paramétereket a glükóz monitorozásához. Emellett néhány nagyfrekvenciás szimulációt és elemzést is elvégeznek a javasolt szenzor teljesítményének ellenőrzésére.,
frekvenciaváltás
a mikrohullámú split gyűrűs rezonátorok rezonanciafrekvenciája (fr) a rezonátor környezetének inverz effektív permittivitásának (er,eff) függvénye47, amely általában a szubsztrát dielektromos permittivitásának ismeretlen funkciója, valamint a kísérleti beállítás és a MUT permittivitása is.
amikor a MUT-ot egy rezonátorba vezetik be, a rendszer általános hatékony permitivitása megváltozik, ezért a rezonátor rezonanciafrekvenciája megváltozik., A rezonanciafrekvencia ezen eltolódása tehát a bevezetett anyag állandó térfogatú meghatározására szolgáló intézkedés. A frekvenciaváltás mérése robusztus paraméter az additív zaj ellen, valamint könnyen mérhető. A Readout áramkört a 100 ppb (milliárd darab) tartományban lévő érzékelési határértékekkel fejlesztették ki, ami mind a precíz, mind az egyenes irányú nagyfelbontású frekvenciaeltolódás mérését48 teszi lehetővé.
amplitúdó variáció
a mikrohullámú rezonátor egy másik kimenete, amely felbecsülhetetlen értékű lehet a MUT-ba való betekintéshez, az amplitúdó variáció., Az amplitúdóváltozás többnyire a MUT49 vezetőképességének változása miatt következett be. Ez általában akkor fordul elő, amikor az elektrolitok koncentrációja megváltozik az ISF belsejében. Mivel az anyagok vezetőképességi spektruma eltér a tendenciától (ha nem teljesen ortogonális) a permittivitástól, az amplitúdó variációk tanulmányozása nagyon hasznos lehet.
Érzékenységelemzés
figyelembe véve a frekvenciaváltást, mint az érzékelő fő kimeneti paraméterét, az érzékenységet úgy lehet meghatározni, mint a frekvenciaváltást a MUT permitivitási variációit egy bizonyos térfogatra., Mivel minden kutatás önkényes tartálytérfogatot és formát használ, a javasolt érzékelő érzékenységének javulásának értelmes megértése érdekében Itt bemutatjuk a hagyományos mikrohullámú rezonátorok és az azonos frekvencián tervezett jelenlegi bevezetett érzékelő összehasonlítását. Amint az ábrán látható. (3) a két rezonátor teljes területét er = 4-gyel lefedő, meghatározott térfogatú és alakú felületes anyagot MUT-ként vezetünk be. A frekvenciaváltás eredményeként relatív permittivity variáció 10 a javasolt érzékelő 700 MHz, amely több mint 3.,5-ször magasabb, mint a hagyományos rezonátor frekvenciaváltása. A hagyományos rezonátor korlátozott érzékenysége a rezonátor és a föld síkja közötti zárt elektromágneses mezők következménye (Lásd az 1.ábrát). 2a). A hagyományos rezonátorokban ennek a jelenségnek köszönhetően a szubsztrátumnak fontosabb szerepe van a rezonancia frekvencia meghatározásában, nem pedig a MUT-ban. A bemutatott munkában a címke szubsztrátumának eltávolítása miatt a címke rezonancia frekvenciáját meghatározó fő változó paraméter a MUT permittivitás., Ennek a koncepciónak a tanulmányozásához egy másik szimulációt hajtottak végre mind a hagyományos, mind a bemutatott rezonátorok számára. Amint az ábrán látható. 4, a különböző szubsztrát-permittivitást különböző permittivitással használták a MUT számára mind a hagyományos, mind a javasolt érzékelők számára. Látható, hogy a hagyományos rezonátorérzékelőknél a szubsztrát permittivitás a domináns paraméter a szerkezet rezonáns frekvenciájának meghatározásában, míg a szubsztrát permittivitási variációk hatása a javasolt érzékelőre nagyon kicsi, sőt elhanyagolható., A fennmaradó ez a papír, mi határozza meg érzékenység, mint a frekvencia változása eredményezte 1 mM/l glükóz koncentráció változás egy adott teszt beállítás.
érzékenységi összehasonlítás a bemutatott érzékelő és a hagyományos mikrohullámú rezonátor érzékelők között. a) javasolt szenzorérzékenység-vizsgálati beállítás felületes anyaggal, relatív permittivitással 1 (csupasz rezonátor) és 10 között. b) hagyományos, azonos térfogatú és permittivitású mikrohullámú rezonátor érzékelő., c) és d) mindkét beállítás spektruma az A) és b) szakaszból, valamint a MUT relatív permittivitási variációiból eredő spektrum az er = 1-től er = 10-ig. Látható, hogy a javasolt érzékelőhöz kapcsolódó frekvenciaváltás 700 MHz (c), összehasonlítva a hagyományos érzékelő (d) 200 MHz-ével azonos állapotban.,
a szubsztrátum hatása a hagyományos és javasolt érzékelők rezonanciafrekvenciájának meghatározásakor. Frekvenciaváltás versus MUT permittivity for different permittivity values for szubsztrát (a) hagyományos érzékelők, (b) javasolt érzékelők; látható, hogy a hatása szubsztrát permittivity hagyományos rezonátor érzékelők domináns, míg hatása elhanyagolható a javasolt érzékelő., Ez az oka annak, hogy ennek a kialakításnak a nagyobb érzékenysége van a hagyományos érzékelőkhöz képest.
távoli mérési elemzés
a bemutatott munka másik figyelemre méltó jellemzője a távoli érzékelési képesség. Ez a jellemző különösen fontos a Hordható elektronikus alkalmazásokhoz. Amellett, hogy képes beágyazni az olvasót egy okosóra, telefon vagy egy gadget, ez a figyelemre méltó funkció hozza fel az új kiemelkedő előnyöket, mint a nulla energiafogyasztás, rendkívül alacsony költségű, valamint a kis méret a érzékelő tag., Ahhoz, hogy jobban megismerhessük ezt a tulajdonságot, egy másik szimulációt úgy valósítottunk meg, hogy a címke tetejére egy adott relatív permittivitással rendelkező MUT-ot helyezünk, és növeljük az olvasó és a címke közötti távolságot. Látható volt az ábrán. 5 Ez a címke továbbra is kommunikál az olvasóval közel 11 mm-re, abszolút nulla teljesítmény mellett, ami teljesen elegendő az alkalmazáshoz.,
(a) szimulációs beállítás a javasolt érzékelő távolságmérésének jellemzésére (a kép a HFSS-ből származik). b) a bevágás-jel padlóarány (NSFR) meghatározása a bemutatott szimulációhoz. (C) NSFR a jel versus A távolság az érzékelő az olvasó.,
kísérletek
különböző méréseket végeztek a javasolt nem invazív glükózmérési érzékelő teljesítményének ellenőrzése céljából. Először is, a glükózkoncentráció mérése ionizált (DI) vízben történik. Az érzékelő konzisztenciájának és stabilitásának tanulmányozásához, valamint a beállításhoz a nullára való visszatérési vizsgálatot olyan nagy koncentrációjú glükózzal végezzük, mint 200 mM / l (ábra). 6)., Bár ez az érték irreálisan magas, de felbecsülhetetlen betekintést nyújt az érzékelő teljesítményének konzisztenciáján keresztül, ha a DI vizet nulla glükózkoncentrációval, a DI vizet pedig 200 mM / l glükózkoncentrációval vezetik be az érzékelőhöz. Ábra 6D vázolja a rezonancia frekvencia bevágás amplitúdója S21 válasz az érzékelő. Látható, hogy az érzékelő válasz stabil és megismételhető. Az érzékelőre jellemző nagy érzékenység is észrevehető., A legjobb tudásunk szerint ennek a munkának az elért érzékenysége, 60 kHz/1 mM/l glükózkoncentráció, amely meghaladja az irodalomban közölt legjobb eredményeket, függetlenül a MUT alakjától és térfogatától. Ez azt jelenti, hogy az érzékelő reakciója kevésbé érzékeny a környezeti zajokra, mint a hagyományos társaik.
a) S21 az érzékelő kísérleti reakciója a 0 mM/l-es és 200 mM/l-es glükózkoncentrációjú minták extrém esetére., B) gyakorisági eltolódás a glükózkoncentrációhoz képest, szélsőséges esetben 0 és 200 mM/l glükózkoncentráció esetén DI vízben. Látható, hogy az érzékelő reakciója nagyon következetes és megismételhető. C) amplitúdó-eltolódás a glükózkoncentrációhoz képest, szélsőséges esetben 0 és 200 mM/l glükózkoncentráció esetén DI vízben. (d) S21 válasz az érzékelő kis eltérések a glükóz koncentráció DI víz 0-tól 40 mM/l. (e) Frequency shift szemben a glükóz koncentráció a koncentráció variációk 0-tól 40 mM/l., Látható, hogy nagyszerű eredményeket értek el nagyon nagy átlagos érzékenységgel, 60 kHz/1 mM/l glükózkoncentrációval. (f) Amplitude shift szemben a glükóz koncentráció a koncentráció variációk 0-tól 40 mM/l.
a következő lépés, a mintát készített, 10 térfogat % – a ló szérum modellezési ISF. Mind a nullára való visszatérést, mind a glükózkoncentráció-minták kis változatait az ábrán vázolt módon elért ígéretes eredményekkel tesztelték. 7., Annak érdekében, hogy jobb képet kapjunk az érzékelő teljesítményéről, gyakori, hogy a mért adatokként kezeljük a glükózkoncentrációt a frekvenciaváltással szemben. Az így kapott adatok alapján interpolációs görbe illesztési folyamat történik. Ezeket az eredményeket az ábra mutatja be. 7d.
div > 10% – os lószérum tartalmú, div-koncentrációval rendelkező minták kísérleti eredményei. a) az érzékelő S21 reakciója a 0-tól 30 mM/l-ig terjedő glükózkoncentrációra., b) Amplitúdóváltozások a glükózkoncentrációval szemben ugyanabból a kísérletből. C) gyakorisági eltolódás a glükózkoncentrációhoz képest. Látható, hogy a szérum vízhez viszonyított alacsonyabb permittivitása szerint a víz-szérum oldat teljes permittivitása csökken, ezért csökken a glükózváltozásnak az oldat teljes permittivitására gyakorolt hatása, ami 43 kHz/1 mM/l glükózkoncentráció alacsonyabb érzékenységét eredményezi., (ha visszatérnénk a nulla eredményhez, integrálhatnánk őket ezzel a fügével is), (d) a glükózkoncentráció kalibrációs görbéje a mért frekvenciaváltással szemben. Vegye figyelembe, hogy a kalibrációs görbe ésszerű illeszkedést biztosít az adatponthoz néhány hiba ellenére, amelyek a kísérleti minták enyhe változékonyságához kapcsolódhatnak.
a fiziológiás állapot további utánzása érdekében glükózérzékelési kísérleteket végeztünk egy egérbőr rétegen keresztül., Ezekben a kísérletekben a sóoldatot elektrolitokkal és ionkoncentrációkkal egészítik ki a mintában, az “eredmények és megbeszélések” szakaszban leírtak szerint. A minták vezetőképességének növelése szerint a bevágási frekvencia amplitúdója nő. Ehhez a kísérlethez az érzékelő és a folyadék között egy lezárt műanyag zacskóba csomagolt, körülbelül 300 µm vastagságú, Borotvált egérbőrt használnak. Ezért a minta az érzékelőtől távolabb helyezkedik el. Amint az ábrán látható. 8, az érzékelő érzékenysége ugyanolyan igazolással csökken, mint az ábra., 2 az ISF minta és az érzékelő közötti távolság növelésének eredményeként. Azonban a rendszer érzékenysége a glükózkoncentráció változásaira még mindig jobb, mint az eddig közzétett nem invazív technológiák.
a div + szérum + sóoldattal végzett minták glükózkoncentráció-változásának kísérleti eredményei. a) az érzékelő Frekvenciaváltása a glükózkoncentráció nulláról 200 mM/l-re történő alternatív megváltoztatására adott válaszként., Látható, hogy a javasolt érzékelő stabil és megismételhető választ ad az idő múlásával. b) az érzékelő Frekvenciaváltása a glükózkoncentráció kis változásának válaszaként. Látható, hogy az érzékelő és a minta közötti bőrbevezetés alapján a teljes érzékenység 38 kHz/1 mM/l glükózkoncentráció-változásra csökken.
Vita
bár a mikrohullámú rezonátorok lenyűgöző tulajdonságokkal rendelkeznek, még mindig nagyon nehéz kérdés maradt., Mivel a MUT permittivitásának bármilyen változása tükröződik a rezonátor frekvenciaváltásában, aggodalomra ad okot a frekvenciaváltás tényleges forrásának bizonytalansága. Ennek a kérdésnek a kezelésére kiterjedt vita része, beleértve néhány kísérletet is.
a bemutatott érzékelő célja az ISF glükózkoncentrációjának mérése, amely folyadék az emberi test vízének körülbelül 40% – át tartalmazza, amely a vérkapillárisokból és a sejtek hulladékgyűjtő közegéből származó tápanyagként ható sejteket körülveszi., A víz és a plazma mellett az ISF glükózt, zsírsavakat és sókat is tartalmaz. Eddig a glükózváltozási hatásokat tesztelték. Itt néhány kísérletet végzünk az ásványi variációk hatásainak tanulmányozására az érzékelő frekvenciaváltására. Az ISF fő ionjai: nátrium, kálium, klorid, kalcium, magnézium, bikarbonát és foszfát. Mivel-nátrium-klorid-ionok egy vagy több nagyságrenddel nagyobb szórási tartomány, összehasonlítva a többi ionok, az egyszerűség kedvéért, úgy, mint az egyetlen változó ionok a kísérletek. Látható volt a füge., 9 mivel az ionok többnyire befolyásolják a MUT vezetőképességét, nem változtatja meg az érzékelő frekvenciáját. Ezért, mivel a frekvenciaváltást az érzékelő fő kimenetének tekintik, az ionos koncentrációváltozások valószínűleg nem zavarják a glükózzal kapcsolatos frekvenciaváltás eredményeit. Ezenkívül az ISF-en belüli zsírsavkoncentráció-változás a < 1 mM/l tartományban van, ezért hatása minimális a frekvenciaváltásra a glükózváltozások hatásához képest.,
a Hatás, sós változatban, a válasz az érzékelő; itt csak Na meg a Cl-koncentráció változott, mint az őrnagy elektrolitok ISF 0-tól 150 mM/l. Bár a legnagyobb változás történik az emberi test korlátozott a 136-150 mM/l, egy túloz változása a vizsgált itt, hogy bemutatja a proof of concept., Látható, hogy a sóoldat koncentrációja fontos hatással van a válasz amplitúdójára, de az ebből eredő frekvenciaváltása kevesebb, mint 20 KHz, ami teljesen elhanyagolható. Az eset még elhanyagolhatóbb lenne a valós életben, az elektrolitok kevesebb változása miatt.
egy Másik fontos paraméter, hogy fontolja meg, ion koncentráció változások nyilvánvaló eredményeként hidratációs szint. Például az enyhe kiszáradás gyakran előfordul az emberekben., A dehidratáció közvetlenül befolyásolja az ISF víztartalmát, ezért megváltoztathatja annak permittivitását, következésképpen befolyásolja az érzékelő teljesítményét és pontosságát. A minta előkészítési módszerét a következő részben mutatjuk be. Ábra 10 bemutatja a frekvencia eltolódás versus kiszáradás százalékos az összes többi változó állandó marad. Eredményeink azt mutatják,hogy az alacsony vagy mérsékelt dehidráció kisebb hatással van a frekvenciaváltásra, még kisebb, mint az 1 mM/l glükózkoncentráció változása., A súlyos dehidráció azonban zavarhatja a glükózváltozásokból eredő frekvenciaváltást, ezért veszélyeztetheti az érzékelő glükózérzékenységét. Ezért ennek az érzékelő technológiának a továbbfejlesztése során figyelembe kell venni a súlyos kiszáradás hatását az érzékelő pontosságára. Az érzékelő valós idejű alkalmazhatósága a MUT glükózkoncentrációjának azonnali változása miatt dielektromos permittivitást eredményez, amely megváltoztatja az érzékelő környezetének hatékony permittivitását, következésképpen frekvenciaváltást eredményez (lásd Eq. 1).,
gyakorisági váltás a kiszáradás eredményeként. Látható, hogy az alacsony vagy mérsékelt kiszáradás (legfeljebb 5%) Nagyon kis interferenciát okoz az érzékelő válaszával. De a súlyos kiszáradás ugyanolyan hatással lehet a frekvenciaváltásra, mint a glükóz koncentráció körülbelül 50 mM/l változása. Bár ez hatalmas hibát eredményez, a súlyos kiszáradás halálos probléma, a betegeket ennek megfelelően azonnal kórházba kell helyezni., Tehát az alacsony vagy mérsékelt dehidráció hatását minimális hibának tekinthetjük, amely kisebb, mint a glükózkoncentráció 0,3 mM/l változásának hatása.
a bemutatott szerkezet és a legkorszerűbb művek egy részének átfogó összehasonlítása a mikrohullámú sütőtől eltérő módszerekkel az 1. táblázatban található. Egy másik kvantitatív összehasonlítás a különböző mikrohullámú technikákon alapuló glükózérzékelők és a jelenlegi dolgozat között a 2. táblázatban található., Bár úgy tűnik, hogy az összegzett művek némelyike nagyobb érzékenységgel rendelkezik, mint a javasolt munka, de ezek többnyire az extra vékony mikrofluidikai csatornák használata miatt a rezonátorok és a minta közötti alacsonyabb távolságok eredménye. Ez az indoklás teljes mértékben összhangban van az ábrán bemutatott koncepcióval. 2. Látható volt a füge. 2e, hogy a frekvencia eltolódás (azaz érzékenység) drasztikusan csökken a távolság növelésével a minta az érzékelő exponenciális módon., Bemutatjuk a nem invazív glükózérzékelő tervezését és tesztelését nagyon nagy érzékenységgel, annak ellenére, hogy az érzékelő és a tesztelő közeg között jelentős távolság várható a valós élet bioszenzoros alkalmazásokban.