In dit gedeelte wordt de voorgestelde glucose monitoring sensor gepresenteerd samen met de schema ‘ s, ontwerpbenadering, aanbevolen parameters, kenmerken, analyse en diverse uitgevoerde experimenten voor het meten van glucoseconcentratie onder verschillende omstandigheden, evenals een intense discussie met inbegrip van analyse van verschillende parameters effecten op de meting.,
Chipless tag resonator sensor design
Figuur 2 geeft het perspectief van de veldconcentraties van de chipless microgolfsensor voor glucosesensoren. De sensor is een ringvormig koperspoor ontworpen om rond 4 GHz te werken, zoals weergegeven in Fig. 2., Deze frequentie wordt gekozen omdat er een aanzienlijk verschil is tussen water, als belangrijkste materiaal in interstitiële vloeistof, en verzadigde glucoseoplossing permittiviteit terwijl hun verlies factoren nog klein zijn, en daarom zal het meten van deze frequentie resulteren in een significante frequentieverschuiving en dus de sensitiviteit46 van het apparaat. Ook omdat de verliesfactor bij deze frequentie nog steeds laag is voor water, zal de kwaliteitsfactor van de resonator hoog blijven, wat van groot belang is voor metingen met hoge precisie., Aangezien de sensor is opgebouwd uit twee resonatoren, zijn er twee pieken en inkepingen in het spectrum. In deze meting, alleen de inkeping met betrekking tot de tag zal worden beschouwd. Zoals in Fig. 2, overweegt de sensor de variaties in het medium dat aan de markering wordt geà ntroduceerd die huid en zijn onder met inbegrip van interstitiële vloeistof en bloed afhankelijk van de sensoropzetplaats is. Variaties in de materiaalpermittiviteit in de gebieden die worden onderworpen aan hogere concentratievelden dragen meer bij aan de frequentieverschuiving. Voor het kwantificeren van dit feit, in Fig., 2, een MUT met verschillende lagen gestapeld boven de sensor wordt gepresenteerd. Alle lagen hebben dezelfde diëlektrische permittiviteit van 1 en dezelfde dikte van 1 mm en alleen permittiviteit van een van hen wordt veranderd in 2 bij elke stap. Resultaten geïllustreerd in Fig. 2c controleert onze rechtvaardigingen. Gebaseerd op deze observatie, schijnt het de variaties van de glucoseconcentratie in ISF veel meer invloed op frequentieverschuiving van de sensor dan zijn variaties in bloed heeft. Daarom worden in de volgende subsecties alleen vloeistoffen en componenten van ISF gemodelleerd.,
detectiemechanisme
in dit deel worden verschillende parameters beschreven die worden gebruikt als de outputs of detectiemechanismen van de gepresenteerde sensor voor glucosemonitoring. Ook zullen enkele hoogfrequente simulaties en analyses worden verstrekt om de suprematie van de prestaties van de voorgestelde sensor te verifiëren.,
frequentievariatie
de resonantiefrequentie van de microgolf – splitringresonatoren (fr) is een functie van de inverse effectieve permittiviteit (er,eff) van de omgeving van de resonator47 die over het algemeen een onbekende functie is van de diëlektrische permittiviteit van het substraat en de permittiviteit van de experimentele instelling en MUT.
wanneer MUT wordt geïntroduceerd in een resonator, wordt de totale effectieve permittiviteit van het systeem gewijzigd en daarmee de resonantiefrequentie van de resonator., Deze verschuiving in de resonantiefrequentie is daarom een maat voor het bepalen van het geïntroduceerde materiaal voor een constant volume. Frequentieverschuivingsmeting is een robuuste parameter tegen additieve ruis en is ook gemakkelijk te meten. Uitlezing circuits zijn ontwikkeld met de detectielimieten in het bereik van 100 ppb (delen per miljard) gemakkelijk, waardoor hoge resolutie frequentieverschuiving meting zowel nauwkeurig en rechtlijnig 48.
Amplitudevariatie
een andere output van microgolfresonator die van onschatbare waarde kan zijn voor het verkrijgen van inzicht in MUT is amplitudevariatie., Amplitude variatie is meestal opgetreden als gevolg van variaties in geleidbaarheid van MUT49. Dit gebeurt gewoonlijk wanneer de concentratie van elektrolyten binnen ISF verandert. Aangezien het geleidbaarheidsspectrum van materialen in trend (zo niet volledig orthogonaal) verschilt van hun permittiviteit, kan het bestuderen van amplitudevariaties zeer nuttig zijn.
gevoeligheidsanalyse
rekening houdend met frequentieverschuiving als de belangrijkste uitgangsparameter voor de sensor, kan gevoeligheid worden gedefinieerd als de frequentieverschuiving versus permittiviteits variaties van MUT voor een bepaald volume., Aangezien elk onderzoek willekeurig containervolume en-vorm gebruikt, voor het hebben van een zinvol begrip van gevoeligheidsverbetering in de voorgestelde sensor, wordt hier een vergelijking gepresenteerd tussen traditionele microgolfresonatoren en de huidige geïntroduceerde sensor die met dezelfde frequentie is ontworpen. Zoals afgebeeld in Fig. 3, een oppervlakkige materiaal met specifiek volume en vorm die het hele gebied van beide resonatoren met er = 4 wordt geïntroduceerd als MUT. De frequentieverschuiving als gevolg van relatieve permittiviteits variatie tot 10 voor de voorgestelde sensor is 700 MHz, dat is meer dan 3.,5 keer hoger dan de frequentieverschuiving voor de traditionele resonator. Beperkte gevoeligheid van de traditionele resonator is het gevolg van beperkte elektromagnetische velden tussen de resonator en zijn grondvlak (zie Fig. 2 bis). In traditionele resonatoren, vanwege dit fenomeen, substraat heeft een belangrijkere rol in het definiëren van de resonantiefrequentie in plaats van MUT. Vanwege het verwijderen van het substraat voor de tag in het gepresenteerde werk, is de belangrijkste variabele parameter die de resonantiefrequentie van de tag definieert de MUT permittiviteit., Voor het bestuderen van dit concept is een andere simulatie gerealiseerd voor zowel conventionele als gepresenteerde resonatoren. Zoals afgebeeld in Fig. 4, verschillende substraatpermittiviteit is gebruikt met verschillende permittiviteit voor MUT voor zowel traditionele als de voorgestelde sensoren. Men zou kunnen zien dat, Voor traditionele resonatorsensoren, substraatpermittiviteit de dominante parameter is bij het bepalen van de resonantiefrequentie van de structuur, terwijl de impact van substraatpermittiviteitsvariaties op de voorgestelde sensor zeer klein en zelfs verwaarloosbaar is., Voor de rest van dit artikel definiëren we gevoeligheid als de frequentievariatie die het gevolg is van 1 mM/l glucoseconcentratie verandering voor een specifieke testopstelling.
Gevoeligheidsvergelijking tussen de gepresenteerde sensor en traditionele microgolfresonatorsensoren. (a) voorgestelde sensorgevoeligheidstest met een oppervlaktemateriaal met een relatieve permittiviteit tussen 1 (kale resonator) en 10. (b) traditionele magnetron resonator sensor met hetzelfde volume en permittiviteit., (C) en (d) het spectrum van beide opstellingen uit respectievelijk de secties (A) en (b) en hun resulterende spectrums uit Mut relatieve permittiviteits variaties van er = 1 tot er = 10. Men kan zien dat de frequentieverschuiving met betrekking tot de voorgestelde sensor 700 MHz (c) bedraagt in vergelijking met 200 MHz voor de traditionele sensor (d) onder dezelfde voorwaarde.,
vergelijking tussen de impact van substraat bij het bepalen de resonantiefrequentie van de traditionele en voorgestelde sensoren. Frequentieverschuiving versus Mut permittiviteit voor verschillende permittiviteits waarden voor substraat voor (A) traditionele sensoren, (B) voorgestelde sensoren; men kan zien dat het effect van substraatpermittiviteit in traditionele resonatorsensoren dominant is, terwijl de impact ervan verwaarloosbaar is voor de voorgestelde sensor., Dit is de reden van hogere bereikte gevoeligheid van dit ontwerp in vergelijking met de traditionele sensoren.
analyse van verre metingen
een ander opvallend kenmerk van het gepresenteerde werk is de mogelijkheid om op afstand te detecteren. Dit kenmerk is vooral belangrijk voor draagbare elektronische toepassingen. Naast de mogelijkheid van het inbedden van de lezer in een smart watch, telefoon of een gadget, deze opmerkelijke functie brengt nieuwe belangrijke voordelen zoals nul stroomverbruik, extreem lage kosten en kleine grootte voor de sensing tag., Voor een beter inzicht in deze eigenschap is een andere simulatie gerealiseerd door MUT met specifieke relatieve permittiviteit bovenop de tag te plaatsen en de afstand tussen de lezer en de tag te vergroten. Het was te zien in Fig. 5 die tag blijven communiceren met de lezer voor bijna 11 mm met absoluut NUL vermogen dat is volledig genoeg voor onze toepassing.,
(a) simulatie-instelling voor karakterisering van de afstandsmeting van de voorgestelde sensor (beeld wordt verkregen van HFSS). (b) definitie van de notch to signal floor ratio (NSFR) voor de gepresenteerde simulatie. (C) NSFR van het signaal versus de afstand van de sensor tot de lezer.,
experimenten
verschillende metingen zijn uitgevoerd om de prestaties van de voorgestelde niet-invasieve glucosemetingsensor te verifiëren. Allereerst wordt de meting van de glucoseconcentratie in gedeïoniseerd (DI) water uitgevoerd. Voor het bestuderen van de consistentie en stabiliteit van de sensor en het instellen van een return-to zero-test wordt uitgevoerd met zo hoge concentraties glucose als 200 mM / l (Fig. 6)., Hoewel deze waarde onrealistisch hoog is, zal het onschatbare inzicht verschaffen door consistentie van de sensorprestaties door DI water met nul glucoseconcentratie en DI water met 200 mM/L glucoseconcentratie alternatief aan de sensor te introduceren. Figuur 6d schetst de amplitude van de inkeping van de resonantiefrequentie van de S21-reactie van de sensor. Men kon zien dat de sensorrespons zowel stabiel als herhaalbaar is. Ook is een hoge gevoeligheid kenmerk van de sensor merkbaar., Voor zover wij weten, de bereikte gevoeligheid van dit werk, 60 kHz/1 mM/l glucoseconcentratie die superieur is aan de beste resultaten gerapporteerd in de literatuur, ongeacht vorm en volume van MUT. Dit betekent dat de respons van de sensor minder gevoelig is voor omgevingsgeluiden dan zijn conventionele tegenhangers.
(a) S21 experimentele respons van de sensor voor extreme gevallen van het introduceren van monsters met 0 mM/l en 200 mM/l glucoseconcentratie voor de sensor., (B) frequentieverschuiving versus glucoseconcentratie voor het extreme geval van 0 en 200 mM/l glucoseconcentratie in DI water. Men kon zien dat de respons van de sensor zeer consistent en herhaalbaar is. (C) amplitudeverschuiving versus glucoseconcentratie voor het extreme geval van 0 en 200 mM/l glucoseconcentratie in DI water. (d) S21 respons van de sensor voor kleine variaties van de glucoseconcentratie in DI water van 0 tot 40 mM/L. (e) frequentieverschuiving versus glucoseconcentratie voor concentratieschommelingen van 0 tot 40 mM/l., Men kon zien dat grote resultaten werden bereikt met zeer hoge gemiddelde gevoeligheid van 60 kHz/1 mM / l van glucoseconcentratie. (f) amplitudeverschuiving versus glucoseconcentratie voor concentratievariaties van 0 tot 40 mM/l.
voor de volgende stap worden monsters bereid met 10 volumetrische procent van het paardenserum voor het modelleren van ISF. Zowel return-To zero als kleine variaties van glucose concentratie monsters zijn getest met veelbelovende resultaten bereikt zoals geschetst in Fig. 7., Voor het bereiken van een beter idee over de prestaties van de sensor, is het gemeenschappelijk om de glucoseconcentratie versus frequentieverschuiving als de gemeten gegevens aan te pakken. Een interpolatie curve fitting proces vervolgens uitgevoerd op basis van de resulterende gegevens. Deze resultaten zijn weergegeven in Fig. 7d.
experimentele resultaten van monsters met glucoseconcentratie in DI water met 10% van het serumgehalte van paarden. (a) S21 respons van de sensor voor glucoseconcentraties van 0 tot 30 mM/l., (b) amplitudevariaties versus glucoseconcentratie uit hetzelfde experiment. (C) frequentieverschuiving versus glucoseconcentratie. Men kon zien dat, volgens lagere permittiviteit van serum in vergelijking met water, de totale permittiviteit van water-serumoplossing wordt verminderd en daarom is de invloed van de glucose variatie op de totale permittiviteit van de oplossing ook verminderd, wat resulteert in een lagere gevoeligheid van 43 kHz/1 mM/l van glucoseconcentratie., (als we terug zouden keren naar nul resultaten zouden we ze ook met deze fig kunnen integreren), (d) een kalibratiecurve voor glucoseconcentratie versus de gemeten frequentieverschuiving. Merk op dat de kalibratiekromme redelijk aansluit bij het gegevenspunt ondanks enkele fouten die verband kunnen houden met geringe variabiliteit in de experimentele monsters.
om een meer fysiologische conditie na te bootsen, hebben we glucose sensing experimenten uitgevoerd via een laag muizenhuid., In deze experimenten wordt zoutoplossing opgenomen in het monster met elektrolyten en ionconcentraties beschreven in “resultaten en discussie” sectie. Volgens geleidbaarheid verhogen van de monsters, wordt de amplitude van de inkepingsfrequentie verhoogd. Voor dit experiment wordt een geschoren muizenhuid met een dikte van ongeveer 300 µm in een verzegelde plastic zak gewikkeld tussen de sensor en de vloeistof gebruikt. Vandaar, wordt de steekproef gevestigd in verdere afstand van de sensor. Zoals afgebeeld in Fig. 8, de gevoeligheid van de sensor wordt verminderd met dezelfde rechtvaardiging als Fig., 2 als gevolg van het vergroten van de afstand tussen ISF-monster en de sensor. Nochtans, is de gevoeligheid van het systeem voor veranderingen in glucoseconcentratie nog superieur aan andere tot op heden gepubliceerde niet-invasieve technologieën.
Experimental results of impact of glucose concentration variation in samples with DI water + serum + saline solution. (a) frequentieverschuiving van de sensor als reactie op een andere verandering van de glucoseconcentratie van nul naar 200 mM/l., Men zou kunnen zien dat de voorgestelde sensor een stabiele en herhaalbare reactie in de tijd presenteert. (B) frequentieverschuiving van de sensor als reactie op een kleine variatie van de glucoseconcentratie. Men kon zien dat, volgens het introduceren van de huid tussen de sensor en het monster, de totale gevoeligheid tot 38 kHz/1 mM/l van glucoseconcentratievariatie wordt verminderd.
discussie
hoewel microgolfresonatoren indrukwekkende eigenschappen bezitten, is er nog steeds een zeer uitdagend probleem., Aangezien elke variatie in de permittiviteit van MUT wordt weerspiegeld in de frequentieverschuiving van de resonator, is er bezorgdheid over de onzekerheid van de werkelijke bron van frequentieverschuiving. Voor het aanpakken van dit probleem, een uitgebreide discussie deel met inbegrip van een aantal experimenten wordt verstrekt.
de gepresenteerde sensor heeft tot doel de glucoseconcentratie te meten in ISF, een vloeistof die ongeveer 40% van het water van het menselijk lichaam rond de cellen bevat en die fungeert als voedingsstof die uit de bloedcapillairen en afvalopvangmedium voor de cellen wordt getransporteerd., Naast water en plasma bevat ISF ook glucose, vetzuren en zouten. Tot nu toe, glucose variatie effecten zijn getest. Hier bieden we enkele experimenten voor het bestuderen van de effecten van minerale variaties op de frequentieverschuiving van de sensor. De belangrijkste ionen in ISF zijn natrium, kalium, chloride, calcium, magnesium, bicarbonaat en fosfaat. Aangezien natrium-en chloride-ionen in vergelijking met de andere ionen een of meer ordes van grootte groter variatiebereik hebben, worden zij ter wille van de eenvoud beschouwd als de enige variabele ionen van de experimenten. Het was te zien vanaf Fig., 9 dat aangezien ionen meestal de geleidbaarheid van de MUT beïnvloeden, het de frequentie van de sensor niet zal veranderen. Aangezien frequentieverandering als de belangrijkste output van de sensor wordt beschouwd, is het daarom onwaarschijnlijk dat Ionische concentratievariaties niet interfereren met resultaten van glucose gerelateerde frequentieverschuiving. Bovendien ligt de variatie in de vetzuurconcentratie binnen ISF in het bereik van < 1 mM/l en daarom zijn de effecten ervan minimaal op de frequentieverschuiving in vergelijking met het effect van glucose variatie.,
Effect van zout variaties op de reactie van de sensor; hier alleen Na-en Cl-concentraties zijn gewijzigd als de belangrijkste elektrolyten in de ISF van 0 tot 150 mM/l. Hoewel de maximale variatie gebeurt in het menselijk lichaam is beperkt, van 136-150 mM/l, een overdrijven variatie is getest hier presenteert de proof of concept., Men kan zien dat de zoutconcentratie een belangrijke invloed heeft op de amplitude van de respons, maar de resulterende frequentieverschuiving is minder dan 20 KHz, wat volledig verwaarloosbaar is. Het geval zou nog verwaarloosbaar in het echte leven geval, vanwege minder variaties in de elektrolyten.
een andere belangrijke parameter om rekening mee te houden zijn ionische concentratieveranderingen die zich manifesteren als gevolg van hydratatieniveaus. Bijvoorbeeld, milde uitdroging komt vaak regelmatig voor bij mensen., Dehydratie beïnvloedt direct het watergehalte in ISF en kon daarom zijn permittiviteit veranderen en bijgevolg de prestaties en precisie van de sensor beïnvloeden. De monstervoorbereidingsmethode wordt in de volgende sectie gepresenteerd. Figuur 10 toont de frequentieverschuiving versus dehydratiepercentage waarbij alle andere variabelen constant blijven. Onze resultaten tonen aan dat lage tot matige uitdroging een gering effect heeft op de frequentieverschuiving, zelfs minder dan het effect van 1 mM/l variatie in glucoseconcentratie., Echter, ernstige uitdroging heeft het potentieel om te interfereren met de frequentieverschuiving als gevolg van glucose variaties en daarom compromitteren de glucose gevoeligheid van de sensor. Daarom zal de verdere ontwikkeling van deze sensortechnologie rekening moeten houden met de impact van ernstige uitdroging op de nauwkeurigheid van de sensor. De real-time toepasbaarheid van de sensor wordt bereikt door onmiddellijke variatie in glucoseconcentratie in de MUT resulteert in zijn diëlektrische permittiviteit die de effectieve permittiviteit van de omgeving van de sensor verandert en bijgevolg resulteert in frequentieverschuiving (zie Eq. 1).,
frequentieverschuiving als de resultaten van dehydratie. Men kan zien dat, lage tot matige uitdroging (tot 5%), zeer kleine interferentie met de reactie van de sensor hebben. Maar ernstige uitdroging kan dezelfde invloed hebben op de frequentieverschuiving als ongeveer 50 mM/l variatie in glucoseconcentratie. Hoewel het resulteert in een enorme fout, ernstige uitdroging is een dodelijk probleem en patiënten moeten onmiddellijk worden opgenomen in het ziekenhuis dienovereenkomstig., Zo zou men het effect van lage tot matige uitdroging als een minimale fout kunnen beschouwen die minder dan het effect van 0.3 mM/l variatie in glucoseconcentratie is.
een uitgebreide vergelijking tussen de gepresenteerde structuur en enkele van de stand van de kunstwerken met behulp van andere methoden dan magnetron wordt geschetst in Tabel 1. Een andere kwantitatieve vergelijking tussen de verschillende microgolftechnieken gebaseerde glucosesensoren en het huidige document wordt weergegeven in Tabel 2., Hoewel sommige van de samengevatte werken een hogere gevoeligheid lijken te hebben dan het voorgestelde werk, maar deze zijn meestal als gevolg van lagere afstanden tussen hun resonatoren en monster toe te schrijven aan het gebruik van extra dunne microfluïdische kanalen. Deze rechtvaardiging is volledig in overeenstemming met het in Fig. 2. Het was te zien vanaf Fig. 2e dat de frequentieverschuiving (d.w.z. gevoeligheid) drastisch wordt verminderd met het vergroten van de afstand van het monster van de sensor op een exponentiële manier., We presenteren het ontwerp en het testen van niet-invasieve glucosesensoren met een zeer hoge gevoeligheid ondanks de aanzienlijke afstand tussen de sensor en het testmedium die verwacht zou worden in levensechte biosenseertoepassingen.