In questa sezione sono proposte di monitoraggio del glucosio sensore è presentato insieme con gli schemi, approccio di design, caratterizzato da parametri, caratteristiche, l’analisi, e vari compiuto esperimenti per la misura della concentrazione di glucosio in condizioni diverse, nonché un’intensa discussione tra cui analisi di diversi parametri effetti sulla misura.,
Chipless tag resonator sensor design
La figura 2 presenta la vista prospettica delle concentrazioni di campo del sensore a microonde chipless per applicazioni di rilevamento del glucosio. Il sensore è una traccia di rame a forma di anello progettato per lavorare intorno 4 GHz, come mostrato in Fig. 2., Questa frequenza è selezionata perché esiste una notevole differenza tra l’acqua, come materiale principale nel liquido interstiziale, e la permittività della soluzione di glucosio saturo mentre i loro fattori di perdita sono ancora piccoli, e quindi la misurazione a questa frequenza comporterà uno spostamento di frequenza significativo e quindi la sensibilità del dispositivo46. Inoltre, poiché il fattore di perdita a questa frequenza è ancora basso per l’acqua, il fattore di qualità del risonatore rimarrà elevato, il che è di grande importanza per le misurazioni di alta precisione., Poiché il sensore è costruito con due risonatori, ci sono due picchi e tacche nello spettro. In questa misurazione, verrà considerata solo la tacca relativa al tag. Come mostrato in Fig. 2, il sensore contempla le variazioni nel mezzo introdotto per il tag che è la pelle e la sua sotto tra cui liquido interstiziale e sangue a seconda della posizione di montaggio del sensore. Le variazioni della permittività dei materiali nelle regioni sottoposte a campi di concentrazione più elevati contribuiscono maggiormente allo spostamento di frequenza. Per quantificare questo fatto, in Fig., 2, un MUT con diversi strati impilati sopra il sensore è presentato. Tutti gli strati hanno la stessa permittività dielettrica di 1 e lo stesso spessore di 1 mm e solo la permittività di uno di essi viene cambiata in 2 ad ogni passaggio. Risultati illustrati in Fig. 2c verifica le nostre giustificazioni. Sulla base di questa osservazione, sembra variazioni di concentrazione di glucosio in ISF ha molto più impatto sullo spostamento di frequenza del sensore rispetto alle sue variazioni nel sangue. Pertanto, nelle sottosezioni successive vengono modellati solo fluidi e componenti di ISF.,
Meccanismo di rilevamento
In questa parte vengono descritti diversi parametri utilizzati come uscite o meccanismi di rilevamento del sensore presentato per il monitoraggio del glucosio. Inoltre, verranno fornite alcune simulazioni e analisi ad alta frequenza verificando la supremazia delle prestazioni del sensore proposto.,
Variazione di frequenza
La frequenza di risonanza dei risonatori ad anello diviso a microonde (fr) è una funzione della permittività effettiva inversa (er,eff) dell’ambiente del risonatore47 che è generalmente una funzione sconosciuta della permittività dielettrica del substrato e della permittività del setup sperimentale e del MUT.
Quando MUT viene introdotto in un risonatore, la permittività effettiva complessiva del sistema viene modificata e quindi la frequenza di risonanza del risonatore., Questo spostamento della frequenza di risonanza è quindi una misura per determinare il materiale introdotto per un volume costante. La misurazione dello spostamento di frequenza è un parametro robusto contro il rumore additivo ed è anche facile da misurare. I circuiti di lettura sono stati sviluppati con i limiti di rilevamento nell’intervallo di 100 ppb (parti per miliardo) facilmente, il che rende la misurazione dello spostamento di frequenza ad alta risoluzione sia precisa che semplice48.
Variazione di ampiezza
Un’altra uscita del risonatore a microonde che potrebbe essere preziosa per ottenere una panoramica di MUT è la variazione di ampiezza., Variazione di ampiezza è per lo più si è verificato come il risultato di variazioni di conducibilità di MUT49. Questo di solito accade quando la concentrazione di elettroliti cambia all’interno di ISF. Poiché lo spettro di conduttività dei materiali differisce in tendenza (se non completamente ortogonale) dalla loro permittività, lo studio delle variazioni di ampiezza potrebbe essere molto utile.
Analisi di sensibilità
Considerando lo spostamento di frequenza come parametro di uscita principale per il sensore, la sensibilità potrebbe essere definita come lo spostamento di frequenza rispetto alle variazioni di permittività di MUT per un determinato volume., Poiché, ogni ricerca utilizza volume e forma arbitraria del contenitore, per avere una comprensione significativa del miglioramento della sensibilità nel sensore proposto, viene presentato qui un confronto tra i risonatori a microonde tradizionali e il sensore introdotto corrente progettato alla stessa frequenza. Come illustrato in Fig. 3, un materiale superficiale con volume e forma specifici che coprono l’intera area di entrambi i risonatori con er = 4 viene introdotto come MUT. Lo spostamento di frequenza risultante dalla variazione di permittività relativa a 10 per il sensore proposto è 700 MHz che è più di 3.,5 volte superiore allo spostamento di frequenza per il risonatore tradizionale. La sensibilità limitata del risonatore tradizionale è il risultato di campi elettromagnetici confinati tra il risonatore e il suo piano di massa (vedi Fig. 2 bis). Nei risonatori tradizionali, a causa di questo fenomeno, substrato ha un ruolo più importante nella definizione della frequenza di risonanza piuttosto che MUT. A causa della rimozione del substrato per il tag nel lavoro presentato, il parametro variabile principale che definisce la frequenza di risonanza del tag è la permittività MUT., Per studiare questo concetto, è stata realizzata un’altra simulazione sia per i risonatori convenzionali che per quelli presentati. Come raffigurato in Fig. 4, diversi substrato permittività è stato utilizzato con diversi permittività per MUT sia per tradizionale e la proposta di sensori. Si potrebbe notare che, per i sensori risonatori tradizionali, la permittività del substrato è il parametro dominante nel determinare la frequenza di risonanza della struttura mentre l’impatto delle variazioni di permittività del substrato sul sensore proposto è molto piccolo e persino trascurabile., Per il resto di questo documento, definiamo la sensibilità come la variazione di frequenza risultante da 1 mM/l di variazione della concentrazione di glucosio per una specifica configurazione del test.
Confronto di sensibilità tra il sensore presentato e i tradizionali sensori di risonanza a microonde. (a) Configurazione proposta della prova di sensibilità del sensore con un materiale superficiale con la permittività relativa compresa tra 1 (risonatore nudo) e 10. (b) Sensore tradizionale del risonatore di microonda con lo stesso volume e permittività., (c) e (d) Lo spettro di entrambe le configurazioni dalle sezioni (a) e (b) rispettivamente, nonché i loro spettri risultanti dalle variazioni di permittività relativa MUT da er = 1 a er = 10. Si potrebbe notare che lo spostamento di frequenza relativo al sensore proposto è di 700 MHz (c) rispetto a 200 MHz per il sensore tradizionale (d) nelle stesse condizioni.,
il Confronto tra l’impatto del substrato nel determinare la frequenza di risonanza del tradizionale e le proposte di sensori. Spostamento di frequenza rispetto alla permittività MUT per diversi valori di permittività per il substrato per (a) sensori tradizionali, (b) sensori proposti; si potrebbe vedere che l’effetto della permittività del substrato nei sensori risonatori tradizionali è dominante mentre il suo impatto è trascurabile per il sensore proposto., Questo è il motivo della maggiore sensibilità raggiunta di questo design rispetto ai sensori tradizionali.
Analisi di misurazione a distanza
Un’altra caratteristica notevole del lavoro presentato è la capacità di rilevamento a distanza. Questa caratteristica è particolarmente importante per le applicazioni elettroniche indossabili. Oltre alla capacità di incorporare il lettore in un orologio intelligente, telefono o un gadget, questa caratteristica notevole porta in primo piano nuovi vantaggi fondamentali come zero consumo di energia, estremamente basso costo, e di piccole dimensioni per il tag di rilevamento., Per avere una migliore comprensione di questa caratteristica, un’altra simulazione è stata realizzata posizionando MUT con specifica permittività relativa sopra il tag e aumentando la distanza tra il lettore e il tag. Potrebbe essere visto in Fig. 5 quel tag continua a comunicare con il lettore per quasi 11 mm con una potenza assolutamente zero che è completamente sufficiente per la nostra applicazione.,
(a) impostazione della Simulazione per la caratterizzazione di misurazione della distanza del sensore proposto (l’immagine è ottenuta da HFSS). (b) Definizione del notch to signal floor ratio (NSFR) per la simulazione presentata. (c) NSFR del segnale rispetto alla distanza del sensore dal lettore.,
Esperimenti
Sono state eseguite varie misurazioni verificando le prestazioni del sensore di misurazione del glucosio non invasivo proposto. Prima di tutto, viene eseguita la misurazione della concentrazione di glucosio in acqua deionizzata (DI). Per studiare la consistenza e la stabilità del sensore e la configurazione, viene eseguito un test di ritorno a zero con concentrazioni di glucosio elevate fino a 200 mM / l (Fig. 6)., Anche se questo valore è irrealisticamente alto, ma fornirà informazioni preziose attraverso la coerenza delle prestazioni del sensore introducendo acqua DI con concentrazione di glucosio zero e acqua DI con concentrazione di glucosio 200 mM/l in alternativa al sensore. La figura 6d abbozza l’ampiezza della tacca di frequenza di risonanza della risposta S21 del sensore. Si potrebbe vedere che la risposta del sensore è stabile e ripetibile. Inoltre, è evidente l’alta sensibilità caratteristica del sensore., Per quanto ne sappiamo, la sensibilità raggiunta di questo lavoro, 60 kHz / 1 mM / l di concentrazione di glucosio che è superiore ai migliori risultati riportati in letteratura indipendentemente dalla forma e dal volume di MUT. Ciò significa che la risposta del sensore è meno suscettibile ai rumori ambientali rispetto alle sue controparti convenzionali.
(a) S21 sperimentale di risposta del sensore per il caso estremo di introduzione dei campioni con 0 mM/l e 200 mM/l di concentrazione di glucosio fo il sensore., b) Spostamento di frequenza rispetto alla concentrazione di glucosio per il caso estremo di 0 e 200 mm/l di concentrazione di glucosio in acqua DI. Si potrebbe vedere che la risposta del sensore è molto coerente e ripetibile. (c) Spostamento di ampiezza rispetto alla concentrazione di glucosio per il caso estremo di 0 e 200 mm/l concentrazione di glucosio in acqua DI. (d) S21 risposta del sensore per piccole variazioni della concentrazione di glucosio nell’acqua DI da 0 a 40 mM/l. (e) Spostamento di frequenza rispetto alla concentrazione di glucosio per variazioni di concentrazione da 0 a 40 mM/l., Si è visto che sono stati raggiunti grandi risultati con una sensibilità media molto elevata di 60 kHz/1 mM/l di concentrazione di glucosio. f) Spostamento di ampiezza rispetto alla concentrazione di glucosio per variazioni di concentrazione da 0 a 40 mm/l.
Per la fase successiva, i campioni vengono preparati con il 10% volumetrico di siero di cavallo per la modellazione ISF. Sia ritorno a zero e piccole variazioni di campioni di concentrazione di glucosio sono stati testati con risultati promettenti raggiunti come abbozzato in Fig. 7., Per ottenere un’idea migliore sulle prestazioni del sensore, è comune affrontare la concentrazione di glucosio rispetto allo spostamento di frequenza come dati misurati. Un processo di adattamento della curva di interpolazione viene quindi eseguito in base ai dati risultanti. Questi risultati sono presentati in Fig. 7d.
Risultati sperimentali di campioni con concentrazione di glucosio in acqua DI con il 10% del contenuto di siero di cavallo. a) Risposta S21 del sensore per concentrazioni di glucosio da 0 a 30 mm / l., (b) Variazioni di ampiezza rispetto alla concentrazione di glucosio dallo stesso esperimento. (c) Spostamento di frequenza rispetto alla concentrazione di glucosio. Si è visto che, in base alla minore permittività del siero rispetto all’acqua, la permittività totale della soluzione acqua-siero è ridotta e quindi anche l’impatto della variazione del glucosio sulla permittività complessiva della soluzione è ridotto, il che si traduce in una sensibilità inferiore di 43 kHz/1 mM/l di concentrazione di glucosio., (se dovessimo tornare a zero risultati potremmo integrarli anche con questa fig), (d) una curva di calibrazione per la concentrazione di glucosio rispetto allo spostamento di frequenza misurato. Si noti che la curva di calibrazione fornisce un adattamento ragionevole con il punto dati nonostante alcuni errori che possono essere correlati a una leggera variabilità nei campioni sperimentali.
Per imitare ulteriormente una condizione più fisiologica, abbiamo eseguito esperimenti di rilevamento del glucosio attraverso uno strato di pelle di topo., In questi esperimenti, la soluzione salina è inclusa nel campione con elettroliti e concentrazioni ioniche descritte nella sezione “Risultati e discussione”. In base all’aumento della conduttività dei campioni, l’ampiezza della frequenza di notch viene aumentata. Per questo esperimento, viene utilizzata una pelle di topi rasata con circa 300 µm di spessore avvolta all’interno di un sacchetto di plastica sigillato tra il sensore e il liquido. Quindi, il campione si trova in ulteriore distanza dal sensore. Come illustrato in Fig. 8, la sensibilità del sensore è diminuita con la stessa giustificazione come Fig., 2 come risultato dell’aumento della distanza tra il campione ISF e il sensore. Tuttavia, la sensibilità del sistema ai cambiamenti nella concentrazione di glucosio è ancora superiore ad altre tecnologie non invasive pubblicate fino ad oggi.
Risultati sperimentali dell’impatto della variazione della concentrazione di glucosio in campioni con acqua DI + siero + soluzione salina. (a) Spostamento di frequenza del sensore come risposta alla variazione alternativa della concentrazione di glucosio da zero a 200 mm/l., Si potrebbe notare che il sensore proposto presenta una risposta stabile e ripetibile nel tempo. (b) Spostamento di frequenza del sensore come risposta di piccola variazione della concentrazione di glucosio. Si potrebbe vedere che, in base all’introduzione della pelle tra il sensore e il campione, la sensibilità complessiva è ridotta a 38 kHz/1 mM/l di variazione della concentrazione di glucosio.
Discussione
Sebbene i risonatori a microonde posseggano caratteristiche impressionanti, rimane ancora un problema molto impegnativo., Poiché qualsiasi variazione nella permittività di MUT si riflette nello spostamento di frequenza del risonatore, c’è una preoccupazione per l’incertezza della fonte effettiva di spostamento di frequenza. Per affrontare questo problema, viene fornita un’ampia parte di discussione che include alcuni esperimenti.
Il sensore presentato mira a misurare la concentrazione di glucosio in ISF che è un fluido contiene circa il 40% dell’acqua del corpo umano che circonda le cellule che agiscono come il nutriente che trasporta dai capillari sanguigni e dai rifiuti che raccolgono le cellule., Oltre all’acqua e al plasma, ISF contiene anche glucosio, acidi grassi e sali. Finora, gli effetti di variazione del glucosio sono stati testati. Qui, forniamo alcuni esperimenti per studiare gli effetti delle variazioni minerali sullo spostamento di frequenza del sensore. Gli ioni principali in ISF sono, sodio, potassio, cloruro, calcio, magnesio, bicarbonato e fosfato. Poiché gli ioni sodio e cloruro hanno uno o più ordini di grandezza intervallo di variazione superiore rispetto agli altri ioni, per semplicità, sono considerati come gli unici ioni variabili gli esperimenti. Potrebbe essere visto da Fig., 9 che poiché gli ioni influenzano principalmente la conduttività del MUT, non cambierà la frequenza del sensore. Pertanto, poiché la variazione di frequenza è considerata l’uscita principale del sensore, è improbabile che le variazioni di concentrazione ionica non interferiscano con i risultati dello spostamento di frequenza correlato al glucosio. Inoltre, la variazione della concentrazione di acidi grassi all’interno dell’ISF è nell’intervallo < 1 mM/l e quindi i suoi effetti sono minimi sullo spostamento di frequenza rispetto all’effetto della variazione del glucosio.,
l’Effetto di saline variazioni della risposta del sensore; qui solo Na e Cl concentrazioni sono state modificate come i principali elettroliti in ISF da 0 a 150 mM/l. Anche se il limite massimo di variazione accade nel corpo umano è limitato da 136-150 mM/l, esagerare variazione è testato qui, a presentare la prova di concetto., Si potrebbe vedere che la concentrazione salina ha un impatto importante sull’ampiezza della risposta, ma il suo spostamento di frequenza risultante è inferiore a 20 kHz, il che è completamente trascurabile. Il caso sarebbe ancora più trascurabile nel caso di vita reale, a causa di meno variazioni negli elettroliti.
Un altro parametro importante da considerare sono i cambiamenti di concentrazione ionica che si manifestano come risultato dei livelli di idratazione. Ad esempio, una lieve disidratazione si verifica spesso regolarmente negli esseri umani., La disidratazione influisce direttamente sul contenuto di acqua in ISF e quindi potrebbe cambiare la sua permittività e di conseguenza influisce sulle prestazioni e sulla precisione del sensore. Il metodo di preparazione del campione è presentato nella sezione successiva. La figura 10 presenta lo spostamento di frequenza rispetto alla percentuale di disidratazione con tutte le altre variabili che rimangono costanti. I nostri risultati dimostrano che la disidratazione da bassa a moderata ha un effetto minore sullo spostamento di frequenza anche inferiore all’effetto della variazione di 1 mM/l nella concentrazione di glucosio., Tuttavia, una grave disidratazione ha il potenziale di interferire con lo spostamento di frequenza derivante dalle variazioni del glucosio e quindi compromettere la sensibilità al glucosio del sensore. Pertanto, l’ulteriore sviluppo di questa tecnologia dei sensori dovrà considerare l’impatto della grave disidratazione sulla precisione del sensore. L’applicabilità in tempo reale del sensore è ottenuta a causa della variazione istantanea della concentrazione di glucosio nel MUT che si traduce nella sua permittività dielettrica che cambia la permittività effettiva dell’ambiente del sensore e di conseguenza si traduce in spostamento di frequenza (vedi Eq. 1).,
Spostamento di frequenza come risultato della disidratazione. Si potrebbe vedere che, da bassa a moderata disidratazione (fino al 5%), hanno interferenze molto piccole con la risposta del sensore. Ma una grave disidratazione potrebbe avere lo stesso impatto sullo spostamento di frequenza di circa 50 mm/l di variazione della concentrazione di glucosio. Anche se è risultati in errore enorme, grave disidratazione è un problema mortale e pazienti devono essere ricoverati immediatamente di conseguenza., Quindi, si potrebbe considerare l’effetto della disidratazione da bassa a moderata come un errore minimo che è inferiore all’impatto della variazione di 0,3 mm/l nella concentrazione di glucosio.
Un confronto completo tra la struttura presentata e alcune delle opere all’avanguardia che utilizzano metodi diversi dalle microonde è descritto nella Tabella 1. Un altro confronto quantitativo tra diversi sensori di glucosio basati su tecniche a microonde e il documento corrente è presentato nella tabella 2., Anche se, alcuni dei lavori riassunti sembra avere maggiore sensibilità rispetto al lavoro proposto, ma quelli sono per lo più come il risultato di distanze più basse tra i loro risonatori e campione a causa dell’utilizzo di canali microfluidici extra-sottili. Questa giustificazione è completamente in accordo con il concetto presentato in Fig. 2. Potrebbe essere visto da Fig. 2e che lo spostamento di frequenza (cioè la sensibilità) viene drasticamente ridotto con l’aumentare della distanza del campione dal sensore in modo esponenziale., Presentiamo la progettazione e la sperimentazione di sensori di glucosio non invasivi con una sensibilità molto elevata nonostante la notevole distanza tra il sensore e il mezzo di prova che ci si aspetterebbe nelle applicazioni di biosensing reali.