nesta seção, a proposta de monitoramento de glicose do sensor é apresentado, juntamente com os esquemas, abordagem de design, destaque parâmetros, características, análise, e vários realizado experimentos para medição da concentração de glicose em diferentes condições, bem como uma intensa discussão, incluindo análise dos diversos parâmetros de efeitos na medição.,a Figura 2 apresenta a perspectiva das concentrações de campo do sensor de microondas sem chip para aplicações sensíveis à glucose. O sensor é um traço de cobre em forma de anel projetado para funcionar em torno de 4 GHz,como mostrado na Fig. 2., Esta freqüência é selecionado porque há uma diferença considerável entre a água, como o principal material no líquido intersticial, e saturado de solução de glicose a permissividade enquanto seus fatores de perda ainda são pequenos, e, portanto, medir essa freqüência irá resultar em uma significativa freqüência de mudança e, portanto, o dispositivo sensitivity46. Além disso, uma vez que o Fator de perda nesta frequência ainda é baixo para a água, o Fator de qualidade do ressonador permanecerá elevado, o que é de grande significado para medições de alta precisão., Uma vez que o sensor é construído com dois ressonadores, há dois picos e entalhes no espectro. Nesta medição, só será considerado o entalhe relacionado com a etiqueta. Como mostrado na Fig. 2, o sensor contempla as variações no meio introduzido à marca que é a pele e seu por baixo, incluindo fluido intersticial e sangue, dependendo do local de montagem do sensor. As variações na permissividade dos materiais nas regiões sujeitas a campos de concentração mais elevados contribuem mais para a mudança de frequência. Para quantificar este fato, em Figo., 2, uma muleta com diferentes camadas empilhadas acima do sensor é apresentado. Todas as camadas têm a mesma permissividade dielétrica de 1 e a mesma espessura de 1 mm e apenas permissividade de uma delas é alterada para 2 em cada etapa. Resultados ilustrados na Fig. 2c verifica as nossas justificações. Com base nesta observação, parece que as variações de concentração de glucose no ISF têm muito mais impacto na mudança de frequência do sensor do que as suas variações no sangue. Portanto, nas subsecções seguintes apenas fluidos e componentes de ISF são modelados.,
mecanismo de detecção
nesta parte, diferentes parâmetros utilizados como as saídas ou mecanismos de detecção do sensor apresentado para monitorização da glucose são descritos. Além disso, algumas simulações e análises de alta frequência serão fornecidas verificando a supremacia do desempenho do sensor proposto.,
variação de Frequência
A freqüência de ressonância do micro-ondas anel de divisão ressonadores (fr) é uma função do inverso eficaz permissividade (er,fep) do ressonador do environment47 que geralmente é uma função desconhecida do substrato permeabilidade e a permissividade da configuração experimental e MUT bem.
quando o MUT é introduzido a um ressonador, a permitividade efetiva global do sistema é alterada e, portanto, a frequência de ressonância do ressonador., Esta mudança na frequência de ressonância é, portanto, uma medida para determinar o material introduzido para um volume constante. A medição do desvio de frequência é um parâmetro robusto contra o ruído aditivo e também é fácil de medir. Os circuitos de leitura foram desenvolvidos com os limites de detecção na gama de 100 ppb (partes por mil milhões) facilmente o que torna a medição de mudança de frequência de alta resolução tanto precisa quanto retilínea48.
Variação da Amplitude
outra saída do ressonador de microondas que poderia ser inestimável para alcançar uma visão sobre o MUT é a variação da amplitude., A variação da Amplitude ocorre principalmente como resultado de variações na condutividade de MUT49. Isto geralmente acontece quando a concentração de eletrólitos muda dentro do ISF. Uma vez que o espectro de condutividade dos materiais difere em tendência (se não completamente ortogonal) de sua permissividade, estudar variações de amplitude pode ser muito útil.
análise de Sensibilidade
Considerando a freqüência de mudança como a principal parâmetro de saída para o sensor, a sensibilidade pode ser definida como a freqüência turno contra permissividade variações de MUT para um determinado volume., Uma vez que cada pesquisa usa volume e forma arbitrárias de contêineres, para ter uma compreensão significativa da melhoria da sensibilidade no sensor proposto, uma comparação entre ressonadores de microondas tradicionais e o sensor introduzido atual projetado na mesma frequência é apresentada aqui. Como ilustrado na Fig. 3, um material superficial com volume e forma específicos cobrindo toda a área de ambos os ressonadores com er = 4 é introduzido como MUT. A mudança de frequência resultou da variação relativa de permitividade para 10 para o sensor proposto é de 700 MHz, o que é mais de 3.,5 vezes maior do que a mudança de frequência para o ressonador tradicional. A sensibilidade limitada do ressonador tradicional é o resultado de campos eletromagnéticos confinados entre o ressonador e seu plano de solo (ver Fig. 2a). Em ressonadores tradicionais, por causa deste fenômeno, o substrato tem um papel mais importante na definição da frequência de ressonância em vez de MUT. Devido à remoção do substrato para a tag no trabalho apresentado, o principal parâmetro variável que define a frequência de ressonância da tag é a permitividade do MUT., Para estudar este conceito, outra simulação foi realizada tanto para os ressonadores convencionais quanto para os apresentados. Como representado na Fig. 4, permitividade de substrato diferente tem sido usado com permitividade diferente para MUT tanto para os sensores tradicionais quanto para os propostos. Pode-se ver que, para os sensores ressonadores tradicionais, a permissividade do substrato é o parâmetro dominante na determinação da frequência ressonante da estrutura, enquanto o impacto das variações de permissividade do substrato sobre o sensor proposto é muito pequeno e até negligenciável., Para o restante deste papel, nós definimos sensibilidade como a variação de frequência resultou de 1 mM / l de alteração da concentração de glicose para uma configuração de teste específica.
Sensibilidade comparação entre o apresentado e do sensor de micro-ondas tradicional do ressonador de sensores. a) a configuração proposta para o ensaio de sensibilidade do sensor com um material superficial com a permissividade relativa entre 1 (ressonador nu) e 10. B) sensor de ressonância de microondas tradicional com o mesmo volume e permissividade., c) E d) o espectro de ambas as configurações das secções A) E B), respectivamente, bem como os respectivos espectros resultantes de variações de permitividade relativa da MUT de er = 1 A er = 10. Verificou-se que a mudança de frequência relacionada com o sensor proposto é de 700 MHz (C) em comparação com 200 MHz para o sensor tradicional (d) nas mesmas condições.,
a Comparação entre o impacto do substrato na determinação da freqüência de ressonância do tradicional e proposta de sensores. Frequência turno contra MUT permissividade para diferentes valores de permissividade para substrato para o (a) tradicional sensores, (b) proposta de sensores, pode ser visto que o efeito do substrato permissividade no tradicional do ressonador de sensores é dominante, enquanto o seu impacto é insignificante para o sensor proposto., Esta é a razão de maior sensibilidade alcançada deste projeto em comparação com os sensores tradicionais.
Distante de análise de medição
Outra característica notável do presente trabalho é distante, a capacidade de detecção. Esta característica é especialmente importante para aplicações eletrônicas wearable. Além da capacidade de incorporar o leitor em um relógio inteligente, telefone ou um gadget, Esta característica notável traz novos benefícios paramount, tais como o consumo de energia zero, custo extremamente baixo, e tamanho pequeno para a tag de detecção., Por ter uma melhor percepção desta característica, outra simulação foi realizada colocando MUT com permitividade relativa específica em cima da tag e aumentando a distância entre o leitor e a tag. Pode ser visto na Fig. 5 essa tag continua a se comunicar com o leitor por quase 11 mm com potência absolutamente zero, o que é completamente suficiente para a nossa aplicação.,
(a) Simulação de instalação para a caracterização de distância de medição do sensor proposto (a imagem é obtida a partir de HFSS). b) definição da relação entalhe / Pavimento dos sinais (NSFR) para a simulação apresentada. c) NSFR do sinal em relação à distância do sensor em relação ao leitor.,
experiências
várias medições foram realizadas verificando o desempenho do sensor de medição da glucose não invasiva proposto. Em primeiro lugar, a medição da concentração de glicose em água desionizada (DI) é realizada. Para o estudo da consistência e estabilidade do sensor, bem como a configuração de um teste de retorno a zero é realizado com concentrações de glicose tão elevadas quanto 200 mM/l (Fig. 6)., Embora este valor seja irrealisticamente elevado, mas proporcionará uma visão inestimável através da consistência do desempenho do sensor, introduzindo água DI com concentração de glicose zero e água DI com concentração de glicose de 200 mM/l alternativamente para o sensor. A figura 6d descreve a amplitude da entalhe de frequência de ressonância da resposta S21 do sensor. Pode-se ver que a resposta do sensor é estável e repetível. Além disso, a alta sensibilidade característica do sensor é notável., Tanto quanto sabemos, a sensibilidade alcançada neste trabalho, 60 kHz / 1 mM / l de concentração de glicose que é superior aos melhores resultados relatados na literatura, independentemente da forma e volume de MUT. Isto significa que a resposta do sensor é menos suscetível a ruídos ambientais do que seus homólogos convencionais.
(a) S21 experimental de resposta do sensor para o caso extremo de introdução de amostras com 0 mM/l e 200 mM/l de concentração de glicose fo o sensor., B) desvio da frequência em relação à concentração de glucose no caso extremo da concentração de glucose a 0 e 200 mM/l em DI-água. Pode-se ver que a resposta do sensor é muito consistente e repetível. c) desvio da Amplitude em relação à concentração de glucose no caso extremo da concentração de glucose a 0 e 200 mM/l em água DI. d) resposta S21 do sensor para Pequenas variações da concentração de glucose na água DI de 0 a 40 mM/L. e) desvio da frequência em relação à concentração de glucose para concentrações variáveis de 0 a 40 mM/l., Verificou-se que foram alcançados grandes resultados com uma sensibilidade média muito elevada de 60 kHz/1 mM/l de concentração de glucose. f) desvio da Amplitude em relação à concentração de glucose no caso de variações da concentração de 0 a 40 mM/L.
para a etapa seguinte, As amostras são preparadas com 10% volumétricos do soro para modelização de ISF. Tanto o retorno a zero como Pequenas variações das amostras de concentração de glucose foram testados com resultados promissores alcançados tal como esboçado na Fig. 7., Para alcançar uma melhor idéia sobre o desempenho do sensor, é comum abordar a concentração de glicose versus mudança de frequência como os dados medidos. Um processo de ajuste da curva de interpolação então realizado com base nos dados resultantes. Estes resultados são apresentados na Fig. 7d.
os resultados Experimentais das amostras com a concentração de glicose em água desionizada (DI) com 10% de soro de cavalo de conteúdo. a) resposta S21 do sensor para concentrações de glucose de 0 a 30 mM / l., B) variações de Amplitude em relação à concentração de glucose no mesmo ensaio. c) desvio de Frequência versus concentração de glucose. Pode ser visto que, de acordo com o menor permissividade do soro em comparação com a água, a total permissividade de água-de soro é reduzido e, portanto, o impacto da glicose variação no total permissividade da solução é reduzido, o que resulta em uma menor sensibilidade de 43 kHz/1 mM/l de concentração de glicose., (se tivéssemos retornado a resultados nulos poderíamos integrá-los também com este figo), (d) uma curva de calibração para a concentração de glicose versus o deslocamento de frequência medido. Note-se que a curva de calibração proporciona uma adequação razoável ao ponto de dados, apesar de alguns erros que podem estar relacionados com uma ligeira variabilidade nas amostras experimentais.
para continuar a imitar uma condição mais fisiológica, realizámos experiências de detecção de glucose através de uma camada de pele de rato., Nestes experimentos, a solução salina é incluída na amostra com eletrólitos e concentrações iônicas descritas na seção “Resultados e discussão”. De acordo com o aumento da condutividade das amostras, a amplitude da frequência de entalhe é aumentada. Para este experimento, uma pele raspada de ratos com cerca de 300 µm de espessura dentro de um saco de plástico selado é usado entre o sensor e o líquido. Assim, a amostra está localizada a uma distância maior do sensor. Como ilustrado na Fig. 8, a sensibilidade do sensor é diminuída com a mesma justificação que a Fig., 2 como resultado do aumento da distância entre a amostra ISF e o sensor. No entanto, a sensibilidade do sistema a alterações na concentração de glucose é ainda superior a outras tecnologias não invasivas publicadas até à data.
resultados Experimentais do impacto da concentração de glicose variação nas amostras com água desionizada + soro + solução salina. a) mudança de Frequência do sensor como resposta à alternância da concentração de glucose de zero para 200 mM/l., Pode-se ver que o sensor proposto apresenta uma resposta estável e repetível ao longo do tempo. b) Mudança de Frequência do sensor como resposta a uma pequena variação da concentração de glucose. Verificou-se que, de acordo com a introdução da pele entre o sensor e a amostra, a sensibilidade global é reduzida para 38 kHz/1 mM/l de variação da concentração de glucose.
discussão
, Uma vez que qualquer variação na permitividade de MUT é refletida no deslocamento de frequência do ressonador, há uma preocupação sobre a incerteza da fonte real de deslocamento de frequência. Para abordar esta questão, é fornecida uma extensa parte de discussão, incluindo algumas experiências.
O sensor apresentado visa medir a concentração de glucose no ISF, que é um fluido que contém cerca de 40% da água do corpo humano em torno das células que actuam como o nutriente que transporta dos capilares sanguíneos e do meio de recolha de resíduos para as células., Além da água e do plasma, o ISF também contém glicose, ácidos graxos e sais. Até agora, os efeitos da variação da glucose foram testados. Aqui, fornecemos alguns experimentos para estudar os efeitos das variações minerais na mudança de frequência do sensor. Os principais íons no ISF São sódio, potássio, cloreto, cálcio, magnésio, bicarbonato e fosfato. Uma vez que os íons de sódio e cloreto têm uma ou mais ordens de magnitude de variação maior em comparação com os outros íons, por uma questão de simplicidade, eles são considerados como os únicos íons variáveis que os experimentos possuem. Pode ser visto da Fig., 9 que uma vez que os íons afetam principalmente a condutividade do MUT, não vai mudar a frequência do sensor. Assim, uma vez que a mudança de frequência é considerada como a principal saída do sensor, é improvável que as variações da concentração iónica não interfiram com os resultados da mudança de frequência relacionada com a glucose. Além disso, a variação da concentração de ácidos gordos no interior do ISF está na gama de < 1 mM/l e, portanto, os seus efeitos são mínimos na mudança de frequência em comparação com o efeito da variação da glucose.,
Efeito de solução salina variações na resposta do sensor; aqui apenas Na e Cl concentrações foram alterados, como os principais eletrólitos na ISF de 0 a 150 mM/l. Embora a variação máxima acontece no corpo humano é limitado a partir de 136-150 mM/l, uma exagerar variação é testado aqui para apresenta a prova de conceito., Pode-se ver que a concentração salina tem um impacto importante na amplitude da resposta, mas a sua mudança de frequência resultante é inferior a 20 KHz, o que é completamente negligenciável. O caso seria ainda mais negligenciável no caso da vida real, por causa de menos variações nos eletrólitos.
outro parâmetro importante a considerar é as alterações da concentração iónica que se manifestam como resultado dos níveis de hidratação. Por exemplo, a desidratação ligeira ocorre frequentemente em seres humanos., A desidratação afeta diretamente o teor de água na ISF e, portanto, pode alterar a sua permitividade e, consequentemente, afeta o desempenho e a precisão do sensor. O método de preparação das amostras é apresentado na secção seguinte. A figura 10 apresenta a porcentagem de deslocamento de frequência versus desidratação com todas as outras variáveis permanecendo constantes. Os nossos resultados demonstram que a desidratação baixa a moderada tem um efeito menor sobre a mudança de frequência ainda menos do que o efeito da variação de 1 mM/l na concentração de glucose., No entanto, a desidratação grave tem o potencial de interferir com a mudança de frequência resultante das variações de glucose e, portanto, comprometer a sensibilidade da glucose do sensor. Portanto, o desenvolvimento posterior desta tecnologia de sensores terá que considerar o impacto da desidratação severa na precisão do sensor. A aplicabilidade em tempo real do sensor é alcançada por causa da variação instantânea da concentração de Glicose no MUT resulta em sua permitividade dielétrica que altera a permitividade efetiva do ambiente do sensor e, consequentemente, resulta em mudança de frequência (ver Eq. 1).,
Frequência de mudança como o resultado de desidratação. Pode-se ver que, desidratação baixa a moderada (até 5%), tem uma interferência muito pequena com a resposta do sensor. Mas, desidratação grave pode ter o mesmo impacto na mudança de frequência que cerca de 50 mM/l variação na concentração de glicose. Embora resulte em grande erro, desidratação grave é um problema mortal e os pacientes devem ser hospitalizados imediatamente EM conformidade., Assim, pode-se considerar o efeito de desidratação baixa a moderada como um erro mínimo que é menor do que o impacto de 0,3 mM/l variação na concentração de glicose.
Uma comparação exaustiva entre o apresentou a estrutura e alguns de estado de obras de arte utilizando métodos diferentes micro-ondas descritas na Tabela 1. Outra comparação quantitativa entre diferentes sensores de glicose baseados em técnicas de microondas e o papel atual é apresentada na Tabela 2., Embora, alguns dos trabalhos resumidos parecem ter maior sensibilidade do que o trabalho proposto, mas esses são principalmente como o resultado de distâncias mais baixas entre seus ressonadores e amostra devido ao uso de canais microfluídicos extra-finos. Esta justificação está totalmente de acordo com o conceito apresentado na Fig. 2. Pode ser visto da Fig. 2e que o deslocamento de frequência (ou seja, sensibilidade) é drasticamente reduzido com o aumento da distância da amostra do sensor de uma forma exponencial., Apresentamos o projeto e teste do sensor de glicose não invasivo com uma sensibilidade muito elevada, apesar da distância considerável entre o sensor e o meio de teste que seria esperado em aplicações de biossensagem na vida real.