I denne delen av den foreslåtte glukose overvåking sensor er presentert sammen med skjemaer, design tilnærming, utvalgte parametere, egenskaper, analyse, og ulike gjennomført eksperimenter for glukose konsentrasjon måling i forskjellige forhold, så vel som en intens diskusjon inkludert analyse av ulike parametere virkninger på målingen.,
Chipless tag-resonator-sensor design
Figur 2 presenterer perspektiv visning av feltet konsentrasjoner av chipless mikrobølgeovn sensor for glukose sensing programmer. Sensoren er en ringformet kobber spore utformet for å arbeide på rundt 4 GHz, som vist i Fig. 2., Denne frekvensen er valgt fordi det er en betydelig forskjell mellom vann, som er det viktigste materialet i interstitiell væske, og mettet glukoseoppløsning permittivity mens deres tap faktorer er fortsatt liten, og derfor måle på denne frekvensen vil resultere i en betydelig frekvens skift og dermed enheten sensitivity46. Også, siden tap faktor ved denne frekvensen er fortsatt lav for vann, kvalitet faktor av resonator vil forbli høy som er av høy betydning for høy presisjon målingene., Siden sensoren er bygget opp av to resonatorer, det er to topper og hakk i spektrum. I denne målingen, bare hakket knyttet til koden vil bli vurdert. Som vist i Fig. 2, – sensor vurderer variasjoner i middels introdusert til koden som er hud og dens under inkludert interstitiell væske og blod avhengig av sensor montering beliggenhet. Variasjoner i materialet permittivity i områder utsatt for høyere konsentrasjon felt har flere bidrag til frekvens skift. For å kvantifisere dette faktum, i Fig., 2, en MUT med forskjellige lag stablet over sensoren er presentert. Alle lag har samme dielektrisk permittivity på 1 og samme tykkelse over 1 mm, og bare permittivity av en av dem er endret til 2 på hvert trinn. Resultatene er illustrert i Fig. 2c bekrefter våre begrunnelser. Basert på denne observasjonen, det virker glukose konsentrasjon variasjoner i ISF har mye mer innflytelse på frekvens skift av sensor enn dens variasjoner i blodet. Derfor, i de etterfølgende seksjoner bare væsker og komponenter av ISF er modellert.,
Deteksjon mekanisme
I denne delen, ulike parametre benyttes som utgangene eller gjenkjenning mekanismer presentert sensor for glukose overvåking er beskrevet. Også, noen høy frekvens simuleringer og analyser vil bli gitt for å verifisere dominans av resultater av den foreslåtte sensor.,
Frekvens variasjon
resonans frekvens av mikrobølgeovn split ring resonatorer (fr) er en funksjon av inverse effektiv permittivity (eh,eff) av resonator er environment47 som er generelt en ukjent funksjon av underlaget dielektrisk permittivity og permittivity av den eksperimentelle oppsettet og MUT som godt.
Når MUT er introdusert til en resonator, den samlede effektive permittivity av systemet er endret, og derfor resonans frekvens av resonator., Dette skiftet i resonans frekvensen er derfor et mål for fastsettelse av introdusert materiale for et konstant volum. Frequency shift-målingen er en robust parameteren mot additiv støy og er lett å måle. Avlesing kretsene har blitt utviklet for deteksjon grenser i størrelsesorden 100 ppb (deler per milliard) lett, noe som gjør høy oppløsning frekvens skift måling både presis og straightforward48.
Amplitude variasjon
en Annen utgang av mikrobølgeovn resonator som kan være uvurderlig for å oppnå et innblikk i MUT er amplitude variasjon., Amplitude variasjon er for det meste oppstått som følge av variasjoner i ledningsevne av MUT49. Dette skjer vanligvis når konsentrasjonen av elektrolytter endringer innenfor ISF. Siden ledningsevne spekter av materialer skiller seg i trend (hvis de ikke er helt runde) fra deres permittivity, studere amplitude varianter kan være svært nyttig.
sensitivitetsanalyse
Vurderer frekvens skift som den viktigste utgang parameter for sensor, følsomhet kan være definert som frekvens skift versus permittivity varianter av MUT for et visst volum., Siden hver forskning bruker vilkårlig container volum og form, for å ha en meningsfull forståelse av følsomhet forbedring i den foreslåtte sensor, en sammenligning mellom tradisjonell mikrobølgeovn resonatorer og gjeldende introdusert sensor utviklet ved samme frekvens som er presentert her. Som illustrert i Fig. 3, en overfladisk materiale med bestemt volum og form som dekker hele området av både resonatorer med is = 4 er innført som MUT. Frekvens skift resulterte i forhold permittivity variasjon til 10 for den foreslåtte sensor er 700 MHz som er mer enn 3.,5 ganger høyere enn frekvensen shift for den tradisjonelle resonator. Begrenset følsomhet av den tradisjonelle resonator er som følge av begrenset elektromagnetiske felt mellom resonator og dens grunnplanet (se Fig. 2a). I tradisjonell resonatorer, på grunn av dette fenomenet, og substratet har en viktigere rolle i å definere resonans frekvens snarere enn MUT. På grunn av fjerning av substrat for tag i den presenterte arbeid, er den viktigste variabel parameter som definerer resonans frekvens av tag er MUT permittivity., For å studere dette konseptet, en annen simulering har blitt utført for både konvensjonell og presentert resonatorer. Som vist i Fig. 4, annet substrat permittivity har vært brukt med forskjellige permittivity for MUT for både tradisjonelle og den foreslåtte sensorer. Det kan ses som for tradisjonelle resonator sensorer, substrat permittivity er den dominerende parameter i vurderingen av resonans frekvensen av struktur, mens virkningen av substrat permittivity variasjoner på den foreslåtte sensor er svært liten og til og med ubetydelig., For resten av denne artikkelen definerer vi følsomhet som frekvens variasjon resulterte fra 1 mM/l glukose konsentrasjon endring for en spesifikk test oppsett.
Følsomhet sammenligningen mellom de presenterte sensor og tradisjonelle mikrobølgeovn resonator sensorer. (en) Foreslått sensor følsomhet test oppsett med en overfladisk materiale med den relative permittivity mellom 1 (bare resonator) og 10. (b) Tradisjonell mikrobølgeovn resonator-sensor med samme volum og permittivity., (c) og (d) spekteret av både oppsett fra delene (a) og (b) for henholdsvis så vel som deres resulterte spektrene fra MUT relative permittivity variasjoner fra is = 1 for t = 10. Det kan sees som, frekvens skift knyttet til den foreslåtte sensor er 700 MHz (c) i sammenligning med 200 MHz for den tradisjonelle sensor (d) under samme tilstand.,
Sammenligningen mellom påvirkning av substrat i å bestemme resonans frekvensen av tradisjonelle og forslag til sensorer. Frekvens skift versus MUT permittivity for ulike permittivity verdier for substrat for (a) tradisjonelle sensorer, (b) foreslått sensorer; det kan sees at effekten av substrat permittivity i tradisjonell resonator sensorer som er dominerende, mens dens effekt er ubetydelig for den foreslåtte sensor., Dette er årsaken til høyere følsomhet oppnås av denne design i sammenlikning med den tradisjonelle sensorer.
Fjern måling analyse
en Annen viktig funksjon i det presenterte arbeid er fjernt sensing evne. Denne egenskapen er spesielt viktig for bærbare elektroniske søknader. I tillegg til evnen til å bygge leser i en smart watch, telefon eller et miniprogram, er dette bemerkelsesverdig trekk bringer opp nye paramount fordeler som null strømforbruk, svært lave kostnader, og liten størrelse for sensing tag., For å ha et bedre innblikk i denne karakteristiske, en annen simulering har blitt oppnådd ved å plassere MUT med spesifikke forhold permittivity på toppen av brikken, og øker avstanden mellom leseren og tag. Det kan sees i Fig. 5 at tag fortsette å kommunisere med leseren for nesten 11 mm med absolutt null strøm som er fullstendig nok for vår søknad.,
(a) – Simulering oppsett for karakterisering av avstand måling av den foreslåtte sensor (bildet er hentet fra HFSS). (b) Definisjon av hakk for å signalisere etasje ratio (NSFR) for de presenterte simulering. (c) NSFR av signalet versus avstand fra sensor fra leseren.,
Eksperimenter
Ulike målinger har vært gjennomført verifisere resultater av den foreslåtte non-invasiv måling av glukose sensor. Først av alt, glukose konsentrasjon måling i deionisert (DI) vann er utført. For å studere konsistens og stabilitet av sensoren så vel som setup return-to-null-testen er utført med så høye konsentrasjoner av glukose som 200 mM/l (Fig. 6)., Selv om denne verdien er urealistisk høye, men det vil gi uvurderlig innsikt gjennom konsistensen av sensor ytelse ved å innføre DI-vann med null glukose konsentrasjon og DI-vann med 200 mM/l glukose konsentrasjon alternativt til sensoren. Figur 6d skisser resonans frekvens hakk amplitude av S21 svar på sensoren. Det kan sees at sensoren svaret er både stabil og repeterbar. Også, høy følsomhet karakteristisk for sensoren er merkbar., Til det beste av vår kunnskap, oppnådd følsomhet av dette arbeidet, 60 kHz/1 mM/l glukose konsentrasjon som er overlegen i forhold til de beste resultatene som er rapportert i litteraturen, uavhengig av form og volum av MUT. Dette betyr at svaret på sensoren er mindre utsatt for miljømessige lyder enn sine konvensjonelle kolleger.
(a) S21 eksperimentelle svar på sensoren for ekstreme tilfellet av å innføre prøver med 0 mM/l og 200 mM/l glukose konsentrasjon fo-sensor., (b) Frekvens skift versus glukose konsentrasjon for ekstreme tilfelle av 0 og 200 mM/l glukose konsentrasjonen i DI-vann. Det kan sees som svar på sensoren er veldig konsekvent og repeterbare. (c) Amplitude skift versus glukose konsentrasjon for ekstreme tilfelle av 0 og 200 mM/l glukose konsentrasjonen i DI-vann. (d) S21 svar på sensoren for små variasjoner av glukose konsentrasjonen i DI-vann fra 0 til 40 mM/l. (e) Frekvens skift versus glukose konsentrasjon for konsentrasjon variasjoner fra 0 til 40 mM/l., Det kan sees at gode resultater er oppnådd med svært høy gjennomsnittlig sensitivitet på 60 kHz/1 mM/l glukose konsentrasjon. (f) Amplitude skift versus glukose konsentrasjon for konsentrasjon variasjoner fra 0 til 40 mM/l.
For neste trinn, prøvene er utarbeidet med 10 volumetrisk prosent av hest serum for modellering av ISF. Både gå tilbake til null, og små variasjoner av glukose konsentrasjon prøver har blitt testet med gode resultater, oppnådd som skissert i Fig. 7., For å oppnå en bedre idé om resultatene av sensor, er det vanlig å ta glukose konsentrasjon versus frekvens skift som de målte data. En interpolering kurve tilpasningsprosessen så dyktig basert på den resulterende data. Disse resultatene er presentert i Fig. 7d.
Eksperimentelle resultater av prøver med glukose konsentrasjonen i DI-vann med 10% av hest serum innhold. (en) S21 svar på sensoren for glukose konsentrasjoner fra 0 til 30 mM/l., (b) Amplitude variasjoner versus glukose konsentrasjon fra samme eksperiment. (c) Frekvens skift versus glukose konsentrasjon. Det kan sees som, i henhold til lavere permittivity av serum i sammenligning med vann, vil den totale permittivity av vann-serum løsning er redusert, og derfor virkningen av glukose variant av den samlede permittivity av løsningen er redusert så vel som resulterer i en lavere følsomhet 43 kHz/1 mM/l glukose konsentrasjon., (hvis vi måtte gå tilbake til null resultater vi kan integrere dem med denne fig så vel), (d) en kalibreringskurven for glukose konsentrasjon versus målt frekvens skift. Vær oppmerksom på at kalibreringskurven gir en rimelig passe med data viser at det til tross for noen feil som kan være relatert til liten variasjon i den eksperimentelle prøver.
for ytterligere Å etterligne en mer fysiologisk tilstand, har vi utført glukose sensing eksperimenter gjennom et lag av musen hud., I disse eksperimentene, saltvann er inkludert i utvalget med elektrolytter og ioniske konsentrasjoner som er beskrevet i «Resultater og diskusjon» – delen. I henhold til økende ledningsevne av prøvene, amplitude av hakk frekvensen er økt. For dette eksperimentet, en barbert mus hud med ca 300 µm tykkelse pakket i en forseglet plastpose brukes mellom sensoren og væske. Derfor, prøven er forretningsvennlig og ligger i lengre avstand fra sensor. Som illustrert i Fig. 8, følsomheten av sensoren er redusert med samme begrunnelse som Fig., 2 som følge av økende avstanden mellom ISF eksempel og sensor. Men følsomheten av systemet til endringer i glukose konsentrasjon er fortsatt overlegen i forhold til andre ikke-invasive teknologier utgitt til dato.
Eksperimentelle resultater av virkningen av glukose konsentrasjon variasjon i prøver med DI-vann + serum + saltvann. (en) Frekvens skift av sensoren som svar til alternativt endre glukose konsentrasjon fra null til 200 mM/l., Det kan sees at den foreslåtte sensor presenterer en stabil og repeterbar respons over tid. (b) Frekvens skift av sensoren som respons av liten variasjon av glukose konsentrasjon. Det kan sees som, i henhold til innføring av huden mellom sensoren og prøve, samlet følsomhet er redusert til 38 kHz/1 mM/l glukose konsentrasjon variasjon.
Diskusjon
Selv om mikrobølgeovn resonatorer har imponerende egenskaper, er det fortsatt en svært utfordrende spørsmålet forble., Siden enhver variasjon i permittivity av MUT er reflektert i frekvens skift av resonator, det er en bekymring knyttet til usikkerhet om den faktiske kilden til frekvens skift. For å ta opp dette problemet, en omfattende diskusjon del inkludert noen eksperimenter er gitt.
presentert sensor tar sikte på å måle glukose konsentrasjonen i ISF som er en væske som inneholder rundt 40% av kroppen er vann rundt cellene som fungerer som transport av næringsstoffer fra blodet kapillærer og avfall innsamling medium for cellene., Ved siden av vann og plasma, ISF også inneholder glukose, fettsyrer og salter. Så langt, glukose variasjon effekter har blitt testet. Her gir vi noen eksperimenter for å studere effekter av mineral variasjoner på frekvens skift av sensoren. De viktigste ionene i ISF er, natrium, kalium, klorid, kalsium, magnesium, bikarbonat og fosfat. Siden natrium og klorid ioner har en eller flere størrelsesordener høyere variasjon utvalg i sammenligning med andre ioner, for enkelhets skyld, de er ansett som den eneste variabelen ioner forsøkene. Det kan sees fra Fig., 9 at siden ioner påvirker hovedsakelig det konduktivitet av MUT, det vil ikke endre frekvensen av sensoren. Derfor, siden frekvens endring er regnet som den viktigste resultatet av sensor, ionisk konsentrasjon variasjoner er usannsynlig å ikke forstyrre resultatene fra glukose i slekt frekvens skift. I tillegg, fettsyrer konsentrasjon variasjon innenfor ISF er i størrelsesorden < 1 mM/l, og derfor dens effekter er minimal på frekvens skift i sammenligning med effekten av glukose variasjon.,
Effekten av saltvann variasjoner på responsen av sensor; her bare Na og Cl-konsentrasjoner har blitt endret som de viktigste elektrolyttene i ISF fra 0 til 150 mM/l. Selv om maksimal variasjon som skjer i kroppen er begrenset fra 136-150 mM/l, en overdrive variant som er testet her for å presenterer bevis av konsept., Det kan sees at saltvann konsentrasjonen er i viktig innvirkning på styrken i responsen, men det resulterer frequency shift er mindre enn 20 KHz som er helt ubetydelig. Saken ville bli enda mer ubetydelig i det virkelige liv saken, på grunn av mindre variasjoner i elektrolytter.
en Annen viktig parameter for å vurdere er ionisk konsentrasjon endringer som kan manifestere seg som et resultat av fuktighetsnivå. For eksempel, mild dehydrering ofte forekommer regelmessig i mennesker., Dehydrering påvirker direkte vanninnhold i ISF og derfor kunne endre sin permittivity og følgelig påvirker ytelse og presisjon av sensor. Klargjøring av metode er presentert i neste avsnitt. Figur 10 viser frekvens skift versus dehydrering prosentandel med alle de andre gjenværende variablene konstant. Våre resultater viser at lav til moderat dehydrering har en mindre effekt på frekvens skift enda mindre enn effekten av 1 mM/l variasjon i glukose konsentrasjon., Men, alvorlig dehydrering har potensial til å påvirke frekvens skift som følge av glukose variasjoner og derfor kompromittere glukose følsomhet av sensoren. Derfor, videre utvikling av dette sensor-teknologi vil ha for å vurdere effekten av alvorlig dehydrering på sensor nøyaktighet. Real-time anvendelsen av sensoren er oppnådd på grunn av instant variasjon i glukose konsentrasjonen i MUT resultater i sine dielektrisk permittivity som endrer effektiv permittivity av sensorens miljø og følgelig resulterer i frekvens skift (se Eq. 1).,
Frekvens skift som resultat av dehydrering. Det kan bli sett på som lav til moderat dehydrering (opp til 5%), har veldig lite forstyrrelser med responsen på sensoren. Men, alvorlig dehydrering kunne ha samme innvirkning på frekvens skift som om 50 mM/l variasjon i glukose konsentrasjon. Selv om det er resultater i stor feil, alvorlig dehydrering er en dødelig problem, og pasienter bør legges inn på sykehus umiddelbart deretter., Så, man kan vurdere effekten av lav til moderat dehydrering som en minimal feil som er mindre enn effekten av 0,3 mM/l variasjon i glukose konsentrasjon.
En omfattende sammenligning mellom de presenterte struktur og noen av state-of-the-art fungerer ved hjelp av andre metoder enn mikrobølgeovn er skissert i Tabell 1. En annen kvantitativ sammenligning mellom forskjellige mikrobølgeovn teknikker-basert glukose sensorer og gjeldende papir er presentert i Tabell 2., Selv om noen av de summerte virker ser ut til å ha høyere følsomhet enn den foreslåtte arbeidet, men de er hovedsakelig som følge av lavere avstander mellom deres resonatorer og eksempel på grunn av bruk av ekstra tynn microfluid-tv. Denne begrunnelsen er helt enige med det konseptet som er presentert i Fig. 2. Det kan sees fra Fig. 2e at frekvens skift (dvs. følsomhet) er drastisk redusert med økende avstand av prøven fra sensoren i en eksponentiell måte., Vi presenterer design og testing av ikke-invasiv glukose sensor med høy følsomhet til tross for den betydelige avstanden mellom sensoren og testing medium som ville være forventet i det virkelige liv biosensing programmer.