In diesem Abschnitt wird der vorgeschlagene Glukoseüberwachungssensor neben den Schemata, dem Entwurfsansatz, den vorgestellten Parametern, den Eigenschaften, der Analyse und verschiedenen durchgeführten Experimenten zur Glukosekonzentrationsmessung unter verschiedenen Bedingungen sowie einer intensiven Diskussion einschließlich der Analyse verschiedener Parameter vorgestellt Auswirkungen auf die Messung.,
Chipless tag Resonator Sensor Design
Abbildung 2 zeigt die perspektivische Sicht auf die Feldkonzentrationen des chiplosen Mikrowellensensors für Glukosesensoranwendungen. Der Sensor ist eine ringförmige Kupferspur, die für die Arbeit mit 4 GHz ausgelegt ist, wie in Abb. 2., Diese Frequenz wird gewählt, weil es einen beträchtlichen Unterschied zwischen Wasser, als Hauptmaterial in interstitieller Flüssigkeit, und gesättigter Glucoselösung Permittivität gibt, während ihre Verlustfaktoren noch klein sind, und daher wird die Messung bei dieser Frequenz zu einer signifikanten Frequenzverschiebung und damit der Geräteempfindlichkeit führen46. Da der Verlustfaktor bei dieser Frequenz für Wasser immer noch niedrig ist, bleibt der Qualitätsfaktor des Resonators hoch, was für hochpräzise Messungen von hoher Bedeutung ist., Da der Sensor aus zwei Resonatoren aufgebaut ist, gibt es zwei Spitzen und Kerben im Spektrum. Bei dieser Messung wird nur die Kerbe berücksichtigt, die sich auf das Tag bezieht. Wie in Abb. 2, der Sensor betrachtet die Schwankungen des Mediums, das in das Etikett eingeführt wird, das Haut ist, und seine darunter einschließlich interstitieller Flüssigkeit und Blut, abhängig von der Sensorbefestigungsstelle. Variationen der Materialpermittivität in den Regionen, die höheren Konzentrationsfeldern ausgesetzt sind, tragen mehr zur Frequenzverschiebung bei. Zur Quantifizierung dieser Tatsache in Abb., 2 wird ein MUT mit verschiedenen über dem Sensor gestapelten Schichten dargestellt. Alle Schichten haben die gleiche dielektrische Permittivität von 1 und die gleiche Dicke von 1 mm und nur die Permittivität einer von ihnen wird bei jedem Schritt auf 2 geändert. Ergebnisse in Abb. 2c überprüft unsere Rechtfertigungen. Basierend auf dieser Beobachtung scheint es, dass Variationen der Glukosekonzentration in ISF viel mehr Einfluss auf die Frequenzverschiebung des Sensors haben als seine Variationen im Blut. Daher werden in den nachfolgenden Unterabschnitten nur Flüssigkeiten und Komponenten von ISF modelliert.,
Detektionsmechanismus
In diesem Teil werden verschiedene Parameter beschrieben, die als Ausgänge oder Detektionsmechanismen des vorgestellten Sensors zur Glukoseüberwachung verwendet werden. Außerdem werden einige Hochfrequenzsimulationen und-analysen bereitgestellt, um die Überlegenheit der Leistung des vorgeschlagenen Sensors zu überprüfen.,
Frequenzvariation
Die Resonanzfrequenz der Mikrowellen-Spaltringresonatoren (fr) ist eine Funktion der inversen effektiven Permittivität (er,eff) der Resonatorumgebung, die im Allgemeinen eine unbekannte Funktion der substratdielektrischen Permittivität und der Permittivität des Versuchsaufbaus und der MUT ist.
Wenn MUT in einen Resonator eingeführt wird, ändert sich die effektive Gesamtpermittivität des Systems und damit die Resonanzfrequenz des Resonators., Diese Verschiebung der Resonanzfrequenz ist daher ein Maß für die Bestimmung des eingeführten Materials für ein konstantes Volumen. Die Frequenzverschiebungsmessung ist ein robuster Parameter gegen additives Rauschen und auch einfach zu messen. Die Ausleseschaltungen wurden mit den Erfassungsgrenzen im Bereich von 100 ppb (Teile pro Milliarde) entwickelt, was eine hochauflösende Frequenzschiebungsmessung sowohl präzise als auch unkompliziert macht.
Amplitudenvariation
Ein weiterer Ausgang des Mikrowellenresonators, der von unschätzbarem Wert sein könnte, um einen Einblick in MUT zu erhalten, ist die Amplitudenvariation., Amplitudenschwankungen treten meist als Folge von Leitfähigkeitsschwankungen von MUTATIONEN auf. Dies geschieht normalerweise, wenn sich die Konzentration der Elektrolyte im ISF ändert. Da sich das Leitfähigkeitsspektrum von Materialien im Trend (wenn nicht vollständig orthogonal) von ihrer Permittivität unterscheidet, könnte die Untersuchung von Amplitudenschwankungen sehr nützlich sein.
Empfindlichkeitsanalyse
Unter Berücksichtigung der Frequenzverschiebung als Hauptausgangsparameter für den Sensor könnte die Empfindlichkeit als Frequenzverschiebung gegenüber Permittivitätsvariationen von MUT für ein bestimmtes Volumen definiert werden., Da jede Forschung beliebiges Behältervolumen und-form verwendet, um ein aussagekräftiges Verständnis der Empfindlichkeitsverbesserung in dem vorgeschlagenen Sensor zu haben, wird hier ein Vergleich zwischen herkömmlichen Mikrowellenresonatoren und dem Strom eingeführten Sensor mit der gleichen Frequenz dargestellt. Wie in Abb. 3 wird ein oberflächliches Material mit spezifischem Volumen und Form, das die gesamte Fläche beider Resonatoren mit er = 4 bedeckt, als MUT eingeführt. Die Frequenzverschiebung, die sich aus der relativen Permittivitätsvariation auf 10 für den vorgeschlagenen Sensor ergibt, beträgt 700 MHz, was mehr als 3 ist.,5 mal höher als die Frequenzverschiebung für den traditionellen Resonator. Die begrenzte Empfindlichkeit des herkömmlichen Resonators ist auf begrenzte elektromagnetische Felder zwischen dem Resonator und seiner Erdebene zurückzuführen (siehe Abb. 2a). In traditionellen Resonatoren spielt das Substrat aufgrund dieses Phänomens eine wichtigere Rolle bei der Definition der Resonanzfrequenz als MUT. Aufgrund der Entfernung des Substrats für das Tag in der vorgestellten Arbeit ist der hauptvariable Parameter, der die Resonanzfrequenz des Tags definiert, die MUT-Permittivität., Für die Untersuchung dieses Konzepts wurde eine weitere Simulation sowohl für konventionelle als auch für vorgestellte Resonatoren durchgeführt. Wie in Abb. 4 wurde unterschiedliche Substratpermittivität mit unterschiedlicher Permittivität für MUT sowohl für traditionelle als auch für die vorgeschlagenen Sensoren verwendet. Es ist ersichtlich, dass bei herkömmlichen Resonatorsensoren die Substratpermittivität der dominierende Parameter bei der Bestimmung der Resonanzfrequenz der Struktur ist, während der Einfluss von Substratpermittivitätsschwankungen auf den vorgeschlagenen Sensor sehr gering und sogar vernachlässigbar ist., Für den Rest dieses Papiers definieren wir die Empfindlichkeit als Frequenzvariation, die sich aus 1 mM/l Glukosekonzentrationsänderung für einen bestimmten Testaufbau ergibt.
Empfindlichkeitsvergleich zwischen dem vorgestellten Sensor und herkömmlichen Mikrowellenresonatorsensoren. (a) Vorgeschlagene Sensorempfindlichkeitstesteinrichtung mit einem oberflächlichen Material mit der relativen Permittivität zwischen 1 (blanker Resonator) und 10. (b) Traditioneller Mikrowellenresonatorsensor mit dem gleichen Volumen und der gleichen Permittivität., (c) und (d) das Spektrum Der beiden setups aus den Abschnitten (a) und (b) bzw. sowie deren ergaben Spektren von MUT relative permittivität Variationen von er = 1 er = 10. Es konnte gesehen werden, dass die Frequenzverschiebung in Bezug auf den vorgeschlagenen Sensor 700 MHz (c) im Vergleich zu 200 MHz für den herkömmlichen Sensor (d) unter der gleichen Bedingung beträgt.,
Vergleich zwischen dem Einfluss des Substrats bei der Bestimmung der Resonanzfrequenz der traditionellen und vorgeschlagenen Sensoren. Frequenz-shift-versus MUT der Dielektrizitätskonstante für verschiedene Werte der Dielektrizitätskonstante für Substrat für (a) die herkömmlichen sensoren, (b) vorgeschlagen, sensoren, es kann gesehen werden, dass die Wirkung der Substrat-permittivität in der traditionellen resonator-sensoren ist dominant, während seine Wirkung vernachlässigbar für die vorgeschlagene sensor., Dies ist der Grund für die höhere erreichte Empfindlichkeit dieser Konstruktion im Vergleich zu den herkömmlichen Sensoren.
Fernmessanalyse
Ein weiteres bemerkenswertes Merkmal der vorgestellten Arbeit ist die Fernerkundungsfähigkeit. Diese Eigenschaft ist besonders wichtig für tragbare elektronische Anwendungen. Zusätzlich zu der Fähigkeit, den Leser in eine Smartwatch, ein Telefon oder ein Gadget einzubetten, bringt diese bemerkenswerte Funktion neue vorrangige Vorteile wie null Stromverbrauch, extrem niedrige Kosten und geringe Größe für das Sensor-Tag., Um einen besseren Einblick in diese Eigenschaft zu erhalten, wurde eine weitere Simulation durchgeführt, indem MUT mit spezifischer relativer Permittivität über dem Tag platziert und der Abstand zwischen dem Leser und dem Tag vergrößert wurde. Es könnte in Abb. 5 dass wir weiterhin mit dem Leser für fast 11 mm mit absolut Null Leistung kommunizieren, die für unsere Anwendung völlig ausreichend ist.,
(a) Simulationseinrichtung zur Charakterisierung der Abstandsmessung des vorgeschlagenen Sensors (Bild wird von HFSS erhalten). (b) Definition des Kerb-Signal-Bodenverhältnisses (NSFR) für die vorgestellte Simulation. (c) NSFR des Signals gegenüber dem Abstand des Sensors vom Lesegerät.,
Experimente
Verschiedene Messungen wurden durchgeführt, um die Leistung des vorgeschlagenen nichtinvasiven Glukosemesssensors zu überprüfen. Zunächst wird eine Glukosekonzentrationsmessung in deionisiertem (DI) Wasser durchgeführt. Zur Untersuchung der Konsistenz und Stabilität des Sensors sowie der Einrichtung wird ein Return-to-Zero-Test mit so hohen Glukosekonzentrationen wie 200 mM/l durchgeführt (Abb. 6)., Dieser Wert ist zwar unrealistisch hoch, liefert aber durch die Konsistenz der Sensorleistung einen unschätzbaren Einblick, indem DI-Wasser mit Null Glukosekonzentration und DI-Wasser mit 200 mm/l Glukosekonzentration alternativ zum Sensor eingeführt werden. Abbildung 6d skizziert die Resonanzfrequenz und Amplitude der S21-Reaktion des Sensors. Es konnte gesehen werden, dass die Sensorantwort sowohl stabil als auch wiederholbar ist. Auch eine hohe Empfindlichkeitseigenschaft des Sensors ist spürbar., Nach bestem Wissen, die erreichte Empfindlichkeit dieser Arbeit, 60 kHz/1 mM / l Glukosekonzentration, die den besten Ergebnissen in der Literatur unabhängig von Form und Volumen der MUT überlegen ist. Dies bedeutet, dass die Reaktion des Sensors weniger anfällig für Umgebungsgeräusche ist als seine herkömmlichen Gegenstücke.
(a) S21 experimentelle Reaktion des Sensors für den Extremfall der Einführung von Proben mit 0 mM/l und 200 mM/l der glucose-Konzentration für die sensor., (b) Frequenzverschiebung gegenüber Glukosekonzentration für den Extremfall von 0 und 200 mm/l Glukosekonzentration in warmem Wasser. Es konnte gesehen werden, dass die Reaktion des Sensors sehr konsistent und wiederholbar ist. (c) Amplitudenverschiebung gegenüber Glukosekonzentration für den Extremfall von 0 und 200 mm/l Glukosekonzentration im Wasser. (d) S21-Reaktion des Sensors für kleine Schwankungen der Glukosekonzentration in DI-Wasser von 0 bis 40 mM/l. (e) Frequenzverschiebung gegenüber Glukosekonzentration für Konzentrationsschwankungen von 0 bis 40 mM/l., Es konnte gesehen werden, dass großartige Ergebnisse mit einer sehr hohen durchschnittlichen Empfindlichkeit von 60 kHz/1 mM/l Glukosekonzentration erzielt wurden. (f) Amplitudenverschiebung gegenüber Glukosekonzentration bei Konzentrationsschwankungen von 0 bis 40 mM/l.
Für den nächsten Schritt werden Proben mit 10 volumetrischen Prozent Pferdeserum zur Modellierung von ISF hergestellt. Sowohl Return-to-Zero als auch kleine Variationen von Glukosekonzentrationsproben wurden mit vielversprechenden Ergebnissen getestet, wie in Abb. 7., Um eine bessere Vorstellung von der Leistung des Sensors zu erhalten, ist es üblich, die Glukosekonzentration gegenüber der Frequenzverschiebung als die gemessenen Daten anzusprechen. Ein Interpolationskurvenanpassungsprozess wird dann basierend auf den resultierenden Daten durchgeführt. Diese Ergebnisse sind in Abb. 7d.
Versuchsergebnisse von Proben mit Glukosekonzentration in DI-Wasser mit 10% Pferdeserumgehalt. (a)S21 Reaktion des Sensors auf Glukosekonzentrationen von 0 bis 30 mm / l., (b) Amplitudenschwankungen gegenüber Glukosekonzentration aus demselben Experiment. (c) Frequenzverschiebung gegenüber Glukosekonzentration. Es konnte gesehen werden, dass entsprechend einer niedrigeren Permittivität des Serums im Vergleich zu Wasser die Gesamtpermittivität der Wasser-Serum-Lösung verringert wird und daher der Einfluss der Glukosevariation auf die Gesamtpermittivität der Lösung verringert wird, was zu einer geringeren Empfindlichkeit von 43 kHz/1 mM/l der Glukosekonzentration führt., (wenn wir die Ergebnisse auf Null zurückgesetzt hätten, könnten wir sie auch in diese Abbildung integrieren), (d) eine Kalibrierkurve für die Glukosekonzentration im Vergleich zur gemessenen Frequenzverschiebung. Beachten Sie, dass die Kalibrierungskurve trotz einiger Fehler, die mit einer leichten Variabilität der experimentellen Proben zusammenhängen können, eine angemessene Anpassung an den Datenpunkt bietet.
Um einen physiologischeren Zustand weiter nachzuahmen, führten wir Glukoseerfassungsexperimente durch eine Schicht Maushaut durch., In diesen Experimenten, Kochsalzlösung in die Stichprobe aufgenommen mit Elektrolyten und Ionischen Konzentrationen beschrieben in „Ergebnisse und Diskussion“ Abschnitt. Entsprechend der Leitfähigkeitserhöhung der Proben wird die Amplitude der Kerbfrequenz erhöht. Für dieses Experiment wird eine rasierte Mäusehaut mit etwa 300 µm Dicke verwendet, die in eine versiegelte Plastiktüte zwischen dem Sensor und der Flüssigkeit eingewickelt ist. Daher befindet sich die Probe in weiterem Abstand vom Sensor. Wie in Abb. 8 wird die Empfindlichkeit des Sensors mit der gleichen Begründung wie Fig verringert., 2 als Ergebnis der Vergrößerung des Abstandes zwischen ISF-Probe und Sensor. Die Empfindlichkeit des Systems gegenüber Änderungen der Glukosekonzentration ist jedoch immer noch anderen bisher veröffentlichten nicht-invasiven Technologien überlegen.
Experimentelle Ergebnisse der Auswirkung der Variation der Glukosekonzentration in Proben mit DI Wasser + Serum + Kochsalzlösung. (a) Frequenzverschiebung des Sensors als Reaktion auf alternativ veränderte Glukosekonzentration von Null auf 200 mM/l., Es ist ersichtlich, dass der vorgeschlagene Sensor im Laufe der Zeit eine stabile und wiederholbare Reaktion aufweist. (b) Frequenzverschiebung des Sensors als Reaktion auf kleine Variation der Glukosekonzentration. Es konnte gesehen werden, dass, entsprechend der Empfindlichkeit der Haut zwischen dem Sensor und der Probe, die Gesamtempfindlichkeit auf 38 kHz/1 mM/l der Glukosekonzentrationsvariation reduziert wird.
Diskussion
Obwohl Mikrowellenresonatoren beeindruckende Eigenschaften besitzen, bleibt ein sehr herausforderndes Problem bestehen., Da jede Variation in der Permittivität von MUT in der Frequenzverschiebung des Resonators reflektiert wird, gibt es eine Besorgnis über die Unsicherheit der tatsächlichen Quelle der Frequenzverschiebung. Um dieses Problem anzugehen, wird ein umfangreicher Diskussionsteil mit einigen Experimenten bereitgestellt.
Der vorgestellte Sensor zielt darauf ab, die Glukosekonzentration in ISF zu messen, einer Flüssigkeit, die etwa 40% des menschlichen Körperwassers enthält, das die Zellen umgibt, die als Nährstoff fungieren, der aus Blutkapillaren und Abfallsammelmedium für die Zellen transportiert wird., ISF enthält neben Wasser und Plasma auch Glukose, Fettsäuren und Salze. Bisher wurden Glukoseschwankungseffekte getestet. Hier bieten wir einige Experimente zur Untersuchung der Auswirkungen mineralischer Variationen auf die Frequenzverschiebung des Sensors an. Die wichtigsten Ionen in ISF sind Natrium, Kalium, Chlorid, Calcium, Magnesium, Bicarbonat und Phosphat. Da Natrium – und Chloridionen im Vergleich zu den anderen Ionen einen oder mehrere Größenordnungen höheren Variationsbereich aufweisen, werden sie der Einfachheit halber als einzige Variable in den Experimenten betrachtet. Es konnte von Fig gesehen werden., 9 dass, da ionen meist beeinflussen die leitfähigkeit der MUT, es wird nicht ändern die frequenz der sensor. Da daher die Frequenzänderung als Hauptausgabe des Sensors betrachtet wird, ist es unwahrscheinlich, dass ionische Konzentrationsschwankungen die Ergebnisse der glukosebedingten Frequenzverschiebung nicht stören. Darüber hinaus liegt die Variation der Fettsäurekonzentration innerhalb von ISF im Bereich von 1 mM/l und daher sind ihre Auswirkungen auf die Frequenzverschiebung im Vergleich zur Wirkung der Glukosevariation minimal.,
Wirkung von Salzschwankungen auf die Reaktion des Sensors; hier wurden nur Na-und Cl-Konzentrationen geändert, da die Hauptelektrolyte in ISF von 0 auf 150 mM/l. Obwohl die maximale Variation im menschlichen Körper von 136-150 mM/l auf l, eine übertriebene Variation wird hier getestet, um den Proof of Concept zu erhalten. , Es konnte gesehen werden, dass die Salzkonzentration einen wichtigen Einfluss auf die Amplitude der Reaktion hat, aber ihre resultierende Frequenzverschiebung weniger als 20 kHz beträgt, was völlig vernachlässigbar ist. Der Fall wäre im wirklichen Leben noch vernachlässigbarer, da die Elektrolytenschwankungen geringer sind.
Ein weiterer wichtiger zu berücksichtigender Parameter sind Änderungen der Ionenkonzentration, die sich als Folge von Flüssigkeitszufuhr manifestieren. Zum Beispiel tritt beim Menschen häufig regelmäßig eine leichte Dehydratation auf., Die Dehydrierung wirkt sich direkt auf den Wassergehalt in ISF aus und könnte daher seine Permittivität ändern und folglich die Leistung und Präzision des Sensors beeinträchtigen. Die Methode zur Probenvorbereitung wird im nächsten Abschnitt vorgestellt. Abbildung 10 zeigt die Frequenzverschiebung gegenüber dem Dehydratisierungsprozentsatz, wobei alle anderen Variablen konstant bleiben. Unsere Ergebnisse zeigen, dass eine geringe bis mäßige Dehydratation die Frequenzverschiebung geringfügig beeinflusst, sogar weniger als die Wirkung einer 1 mm/l-Variation der Glukosekonzentration., Eine starke Dehydratation kann jedoch die Frequenzverschiebung aufgrund von Glukoseschwankungen beeinträchtigen und daher die Glukosesensitivität des Sensors beeinträchtigen. Daher muss die Weiterentwicklung dieser Sensortechnologie die Auswirkungen einer starken Dehydratation auf die Sensorgenauigkeit berücksichtigen. Die Echtzeitanwendbarkeit des Sensors wird dadurch erreicht, dass eine sofortige Variation der Glukosekonzentration in der MUT zu seiner dielektrischen Permittivität führt, die die effektive Permittivität der Sensorumgebung verändert und folglich zu einer Frequenzverschiebung führt (siehe Eq. 1).,
Frequenz-shift-als die Ergebnisse der Dehydrierung. Es konnte gesehen werden, dass, niedrige bis mäßige Dehydratation (bis zu 5%), sehr kleine Störungen mit der Reaktion des Sensors haben. Eine starke Dehydratation könnte jedoch den gleichen Einfluss auf die Frequenzverschiebung haben wie eine Variation der Glukosekonzentration um etwa 50 mm/l. Obwohl es zu großen Fehlern führt, ist eine schwere Dehydratation ein tödliches Problem und die Patienten sollten sofort ins Krankenhaus eingeliefert werden., So könnte man den Effekt einer niedrigen bis mäßigen Dehydratation als minimalen Fehler betrachten, der geringer ist als der Einfluss einer Variation der Glukosekonzentration von 0,3 mm/l.
Ein umfassender Vergleich zwischen der dargestellten Struktur und einigen der modernsten Arbeiten mit anderen Methoden als Mikrowellen ist in Tabelle 1 beschrieben. Ein weiterer quantitativer Vergleich zwischen verschiedenen Mikrowellentechniken-basierten Glukosesensoren und dem aktuellen Papier ist in Tabelle 2 dargestellt., Obwohl, Einige der zusammengefassten Arbeiten scheinen eine höhere Empfindlichkeit als die vorgeschlagene Arbeit zu haben, Diese sind jedoch hauptsächlich auf geringere Abstände zwischen ihren Resonatoren und der Probe zurückzuführen, da extra dünne mikrofluidische Kanäle verwendet werden. Diese Begründung stimmt vollständig mit dem in Abb. 2. Es konnte von Fig gesehen werden. 2e, dass die Frequenzverschiebung (d. h. Empfindlichkeit) drastisch reduziert wird, indem der Abstand der Probe vom Sensor exponentiell vergrößert wird., Wir präsentieren das Design und die Prüfung eines nichtinvasiven Glukosesensors mit einer sehr hohen Empfindlichkeit trotz des beträchtlichen Abstands zwischen dem Sensor und dem Testmedium, der in realen Biosensinganwendungen zu erwarten wäre.