În această secțiune propus de monitorizare a glucozei din senzor este prezentat împreună cu schemele, abordare de design, caracteristici, parametrii, caracteristici, analiza, și a realizat diverse experimente pentru concentrația de glucoză de măsurare în condiții diferite, precum și o discuție intensă, inclusiv analiza de parametri diferite efecte pe măsură.,
Chipless tag rezonator senzor design
Figura 2 prezintă o vedere în perspectivă a domeniului de concentrații de chipless cuptor cu microunde senzor de glucoză aplicații de detecție. Senzorul este o urmă de cupru în formă de inel proiectată să funcționeze în jur de 4 GHz, așa cum se arată în Fig. 2., Această frecvență este selectat pentru că există o diferență considerabilă între apă, ca material principal în lichidul interstițial, și saturate soluție de glucoză permitivitatea în timp ce pierderea lor factori sunt încă mici, și, prin urmare, de măsurare la această frecvență va duce la o semnificativă schimbare de frecvență și, prin urmare, dispozitivul sensitivity46. De asemenea, deoarece factorul de pierdere la această frecvență este încă scăzut pentru apă, factorul de calitate al rezonatorului va rămâne ridicat, ceea ce are o importanță ridicată pentru măsurători de înaltă precizie., Deoarece senzorul este construit din două rezonatoare, există două vârfuri și crestături în spectru. În această măsurătoare, va fi luată în considerare numai crestătura legată de etichetă. Așa cum se arată în Fig. 2, senzorul are în vedere variațiile mediului introdus pe etichetă, care este pielea și dedesubt, inclusiv lichidul interstițial și sângele, în funcție de locația de montare a senzorului. Variațiile permitivității materialelor în regiunile supuse câmpurilor de concentrare mai mari au o contribuție mai mare la schimbarea frecvenței. Pentru cuantificarea acestui fapt, în Fig., 2, este prezentat un MUT cu diferite straturi stivuite deasupra senzorului. Toate straturile au aceeași permitivitate dielectrică de 1 și aceeași grosime de 1 mm și numai permitivitatea unuia dintre ele este modificată la 2 la fiecare pas. Rezultate ilustrate în Fig. 2c verifică justificările noastre. Pe baza acestei observații, se pare că variațiile concentrației de glucoză în ISF au un impact mult mai mare asupra schimbării frecvenței senzorului decât variațiile sale în sânge. Prin urmare, în subsecțiunile următoare sunt modelate numai fluidele și componentele ISF.,
mecanism de detectare
în această parte sunt descriși diferiți parametri utilizați ca ieșiri sau mecanisme de detectare a senzorului prezentat pentru monitorizarea glucozei. De asemenea, vor fi furnizate unele simulări și analize de înaltă frecvență care verifică supremația performanței senzorului propus.,
variația Frecvenței
Cu o frecvență de rezonanță cuptor cu microunde split inel rezonatoare (fr) este o funcție de inversul eficiente permitivitatea (er,fep) din rezonatorul environment47 care este, în general, o funcție necunoscută de substrat dielectric cu permitivitate electrică și permitivitatea experimental setup și MUT la fel de bine.
când MUT este introdus într-un rezonator, permitivitatea generală efectivă a sistemului este modificată și, prin urmare, frecvența de rezonanță a rezonatorului., Această schimbare a frecvenței de rezonanță este, prin urmare, o măsură pentru determinarea materialului introdus pentru un volum constant. Măsurarea schimbării frecvenței este un parametru robust împotriva zgomotului aditiv și, de asemenea, este ușor de măsurat. Citire circuitele au fost dezvoltate cu limite de detecție în intervalul de 100 ppb (părți pe miliard) cu ușurință, ceea ce face de înaltă rezoluție schimbare de frecvență de măsurare precisă și straightforward48.o altă ieșire a rezonatorului cu microunde care ar putea fi de neprețuit pentru a obține o perspectivă asupra MUT este variația amplitudinii., Variația amplitudinii este cea mai mare parte a avut loc ca urmare a variațiilor de conductivitate MUT49. Acest lucru se întâmplă de obicei atunci când concentrația de electroliți se schimbă în interiorul ISF. Deoarece spectrul de conductivitate al materialelor diferă în tendință (dacă nu complet ortogonal) de permitivitatea lor, studierea variațiilor de amplitudine ar putea fi foarte utilă.
analiza sensibilității
considerând schimbarea frecvenței ca parametru principal de ieșire pentru senzor, sensibilitatea ar putea fi definită ca schimbarea frecvenței față de variațiile de permitivitate ale MUT pentru un anumit volum., Deoarece fiecare cercetare folosește volumul și forma arbitrară a containerului, pentru a avea o înțelegere semnificativă a îmbunătățirii sensibilității în senzorul propus, este prezentată aici o comparație între rezonatoarele tradiționale cu microunde și senzorul curent introdus proiectat la aceeași frecvență. Așa cum este ilustrat în Fig. 3, Un material superficial cu volum și formă specifică care acoperă întreaga zonă a ambelor rezonatoare cu er = 4 este introdus ca MUT. Schimbarea frecvenței rezultată din variația relativă a permisivității la 10 pentru senzorul propus este de 700 MHz, care este mai mare de 3.,De 5 ori mai mare decât schimbarea frecvenței pentru rezonatorul tradițional. Sensibilitatea limitată a rezonatorului tradițional este rezultatul câmpurilor electromagnetice limitate între rezonator și planul său de sol (vezi Fig. 2a). În rezonatoarele tradiționale, datorită acestui fenomen, substratul are un rol mai important în definirea frecvenței de rezonanță decât MUT. Datorită îndepărtării substratului pentru etichetă în lucrarea prezentată, principalul parametru variabil care definește frecvența de rezonanță a etichetei este permitivitatea MUT., Pentru studierea acestui concept, a fost realizată o altă simulare atât pentru rezonatorii convenționali, cât și pentru cei prezentați. Așa cum este descris în Fig. 4, permitivitatea substratului diferit a fost utilizată cu permitivitate diferită pentru MUT atât pentru senzorii tradiționali, cât și pentru cei propuși. Se poate observa că, pentru senzorii rezonatori tradiționali, permitivitatea substratului este parametrul dominant în determinarea frecvenței rezonante a structurii, în timp ce impactul variațiilor de permitivitate a substratului asupra senzorului propus este foarte mic și chiar neglijabil., Pentru restul acestei lucrări, definim sensibilitatea ca variația de frecvență rezultată din 1 mM/l de schimbare a concentrației de glucoză pentru o configurație specifică de testare.
Sensibilitate comparație între prezentat senzor și tradiționale, cuptor cu microunde rezonator senzori. (a) Configurarea propusă a testului de sensibilitate a senzorului cu un material superficial cu permitivitatea relativă între 1 (rezonator gol) și 10. (b) senzor rezonator tradițional cu microunde cu același volum și permitivitate., (c) și (d) spectrul ambelor configurații din secțiunile (a) și, respectiv, (B), precum și spectrele lor rezultate din variațiile relative de permitivitate MUT de la er = 1 la er = 10. S-ar putea observa că, schimbare de frecvență legate de senzorul propus este 700 MHz (c) în comparație cu 200 MHz pentru senzorul tradițional (d) în aceeași condiție.,
Comparație între impactul de substrat în determinarea frecvența de rezonanță tradiționale și a propus senzori. Schimbare de frecvență comparativ MUT permitivitatea pentru diferite permitivitatea valori pentru substrat pentru (a) tradiționale senzori, (b) propunerea de senzori; ar putea fi văzut că efectul de substrat permitivitatea tradiționale rezonator senzori este dominantă, în timp ce impactul său este neglijabil pentru a propus senzor., Acesta este motivul pentru o sensibilitate mai mare a acestui design în comparație cu senzorii tradiționali.
analiza măsurătorilor la distanță
O altă caracteristică notabilă a lucrării prezentate este capacitatea de detectare la distanță. Această caracteristică este deosebit de importantă pentru aplicațiile electronice purtabile. În plus față de capacitatea de a încorpora cititorul într-un ceas inteligent, telefon sau un obiect gadget, această caracteristică remarcabilă aduce noi beneficii primordiale, cum ar fi consumul de energie zero, costuri extrem de reduse și dimensiuni mici pentru eticheta de detectare., Pentru a avea o mai bună înțelegere a acestei caracteristici, o altă simulare a fost realizată prin plasarea MUT cu permitivitate relativă specifică pe partea de sus a etichetei și creșterea distanței dintre cititor și etichetă. Ar putea fi văzut în Fig. 5 Această etichetă continuă să comunice cu cititorul pentru aproape 11 mm cu o putere absolut zero, ceea ce este suficient pentru aplicația noastră.,
(o) Simulare de configurare pentru caracterizarea distanța de măsurare a propus senzorului (imaginea este obținută din HFSS). (b) definirea raportului dintre crestătură și podea de semnal (NSFR) pentru simularea prezentată. (c) NSFR a semnalului față de distanța senzorului față de cititor.,
Experimente
Diverse măsurători au fost realizate verificarea performanțelor propuse non-invazivă de măsurare a glucozei din senzor. În primul rând, se efectuează măsurarea concentrației de glucoză în apă deionizată (DI). Pentru studierea consistenței și stabilității senzorului, precum și a configurației, se realizează un test de revenire la zero cu concentrații mari de glucoză de 200 mM / l (Fig. 6)., Deși această valoare este nerealist de mare, dar va oferi o perspectivă neprețuită prin coerența performanței senzorului prin introducerea apei DI cu concentrație zero de glucoză și a apei DI cu concentrație de glucoză 200 mM/l alternativ la senzor. Figura 6D schițează amplitudinea notch de frecvență de rezonanță a răspunsului S21 al senzorului. Se poate observa că răspunsul senzorului este atât stabil, cât și repetabil. De asemenea, se observă o sensibilitate ridicată caracteristică senzorului., Din cunoștințele noastre, sensibilitatea obținută a acestei lucrări, 60 kHz / 1 mM / L concentrație de glucoză care este superioară celor mai bune rezultate raportate în literatură, indiferent de forma și volumul MUT. Aceasta înseamnă că răspunsul senzorului este mai puțin susceptibil la zgomotele de mediu decât omologii săi convenționali.
(o) S21 experimentale de răspuns al senzorului pentru cazul extrem de introducerea probelor cu 0 mM/l și 200 mM/l de glucoză de concentrație fo senzorului., (b) schimbarea frecvenței față de concentrația de glucoză pentru cazul extrem de concentrație de glucoză 0 și 200 mM/l în apă DI. Se poate observa că răspunsul senzorului este foarte consistent și repetabil. (c) deplasarea amplitudinii față de concentrația de glucoză pentru cazul extrem de concentrație de glucoză 0 și 200 mM/l în apă DI. (d) răspunsul S21 al senzorului pentru variații mici ale concentrației de glucoză în apă DI de la 0 la 40 mM/L. (e) schimbarea frecvenței față de concentrația de glucoză pentru variații de concentrație de la 0 la 40 mM/L., S-a putut observa că s-au obținut rezultate foarte bune cu o sensibilitate medie foarte ridicată de 60 kHz/1 mM/L de concentrație de glucoză. (f) Amplitudinea schimbare versus concentrația de glucoză de concentrație variații de la 0 la 40 mM/l.
Pentru următorul pas, probele sunt pregătite cu 10 procente volumetrice de ser de cal pentru modelarea ISF. Au fost testate atât variațiile de revenire la zero, cât și variațiile mici ale probelor de concentrație de glucoză, cu rezultate promițătoare obținute așa cum s-a schițat în Fig. 7., Pentru a obține o idee mai bună asupra performanței senzorului, este comună abordarea concentrației de glucoză față de schimbarea frecvenței ca date măsurate. Un proces de montare a curbei de interpolare apoi realizat pe baza datelor rezultate. Aceste rezultate sunt prezentate în Fig. 7d.
rezultatele Experimentale de probele cu concentrația de glucoză din DI apă cu 10% ser de cal conținut. (a) răspunsul S21 al senzorului pentru concentrațiile de glucoză de la 0 la 30 mM/l., (b) variațiile de amplitudine față de concentrația de glucoză din același experiment. (c) schimbarea frecvenței față de concentrația de glucoză. S-a văzut că, potrivit mai mici permitivitatea serice în comparație cu apa, total permitivitatea de apă-ser soluție este redusă și, prin urmare, impactul glucoză variație pe ansamblu permitivitatea de soluție este redusă, precum și care rezultă într-o sensibilitate mai mică de 43 kHz/1 mM/l de glucoză de concentrație., (dacă am reveni la rezultate zero, le-am putea integra și cu acest fig), (d) o curbă de calibrare pentru concentrația de glucoză față de schimbarea frecvenței măsurate. Rețineți că curba de calibrare asigură o potrivire rezonabilă cu punctul de date, în ciuda unor erori care pot fi legate de o ușoară variabilitate a probelor experimentale.pentru a imita în continuare o stare mai fiziologică, am efectuat experimente de detectare a glucozei printr-un strat de piele de șoarece., În aceste experimente, soluția salină este inclusă în eșantion cu electroliți și concentrații ionice descrise în secțiunea „Rezultate și discuții”. În funcție de creșterea conductivității probelor, amplitudinea frecvenței crestăturii este mărită. Pentru acest experiment, între senzor și lichid se folosește o piele de șoareci rasă cu o grosime de aproximativ 300 µm învelită într-o pungă de plastic sigilată. Prin urmare, eșantionul este situat la o distanță mai mare de senzor. Așa cum este ilustrat în Fig. 8, sensibilitatea senzorului este scăzută cu aceeași justificare ca Fig., 2 ca urmare a creșterii distanței dintre proba ISF și senzor. Cu toate acestea, sensibilitatea sistemului la modificările concentrației de glucoză este încă superioară altor tehnologii neinvazive publicate până în prezent.
rezultatele Experimentale de impact al concentrației de glucoză variație în probele cu DI apa + ser + soluție salină. (a) schimbarea frecvenței senzorului ca răspuns la schimbarea alternativă a concentrației de glucoză de la zero la 200 mM/l., Se poate observa că senzorul propus prezintă un răspuns stabil și repetabil în timp. (b) schimbarea frecvenței senzorului ca răspuns la variația mică a concentrației de glucoză. S-a putut observa că, în funcție de introducerea pielii între senzor și probă, sensibilitatea generală este redusă la 38 kHz/1 mM/L de variație a concentrației de glucoză.
discuție
deși rezonatoare cu microunde posedă caracteristici impresionante, există încă o problemă foarte dificilă a rămas., Deoarece orice variație a permisivității MUT se reflectă în schimbarea frecvenței rezonatorului, există o preocupare cu privire la incertitudinea sursei reale de schimbare a frecvenței. Pentru abordarea acestei probleme, este prevăzută o parte de discuție extinsă, inclusiv unele experimente.senzorul prezentat are scopul de a măsura concentrația de glucoză în ISF, care este un fluid care conține aproximativ 40% din apa corpului uman care înconjoară celulele, acționând ca nutrient care transportă din capilarele sanguine și mediul de colectare a deșeurilor pentru celule., Pe lângă apă și plasmă, ISF conține, de asemenea, glucoză, acizi grași și săruri. Până în prezent, au fost testate efectele de variație a glucozei. Aici, oferim câteva experimente pentru studierea efectelor variațiilor minerale asupra schimbării frecvenței senzorului. Principalii ioni din ISF sunt sodiu, potasiu, clorură, calciu, magneziu, bicarbonat și fosfat. Deoarece ionii de sodiu și clorură au unul sau mai multe ordine de mărime mai mare interval de variație în comparație cu ceilalți ioni, de dragul simplității, ele sunt considerate ca fiind singurele ioni variabili experimentele. Se putea vedea din Fig., 9 că, deoarece ionii afectează în cea mai mare parte conductivitatea MUT, nu va schimba frecvența senzorului. Prin urmare, deoarece schimbarea frecvenței este considerată ca fiind principala ieșire a senzorului, este puțin probabil ca variațiile concentrației ionice să nu interfereze cu rezultatele schimbării frecvenței legate de glucoză. În plus, acizi grași concentrare variație în interiorul ISF este în intervalul de < 1 mM/l și, prin urmare, efectele sale sunt minime privind frecvența de schimbare în comparație cu efect de glucoză variație.,
Efect de salină de variante de răspuns a senzorului; aici doar Na și Cl concentrațiile au schimbat major electroliți în ISF de la 0 la 150 mM/l. Deși variația maximă se întâmplă în corpul uman este limitat la 136-150 mM/l, o exagera variație este testat aici pentru a prezintă dovada de concept., S-ar putea observa că concentrația salină are un impact important asupra amplitudinii răspunsului, dar schimbarea frecvenței rezultată este mai mică de 20 KHz, ceea ce este complet neglijabil. Cazul ar fi și mai neglijabil în cazul vieții reale, din cauza variațiilor mai mici ale electroliților.
Un alt parametru important de luat în considerare este modificările concentrației ionice care se manifestă ca urmare a nivelurilor de hidratare. De exemplu, deshidratarea ușoară apare adesea în mod regulat la om., Deshidratarea afectează în mod direct conținutul de apă din ISF și, prin urmare, ar putea schimba permitivitatea acestuia și, prin urmare, afectează performanța și precizia senzorului. Metoda de preparare a probelor este prezentată în secțiunea următoare. Figura 10 prezintă schimbarea frecvenței față de procentul de deshidratare cu toate celelalte variabile rămase constante. Rezultatele noastre demonstrează că deshidratarea scăzută până la moderată are un efect minor asupra schimbării frecvenței chiar mai puțin decât efectul variației de 1 mM/l a concentrației de glucoză., Cu toate acestea, deshidratarea severă are potențialul de a interfera cu schimbarea frecvenței care rezultă din variațiile de glucoză și, prin urmare, compromite sensibilitatea la glucoză a senzorului. Prin urmare, dezvoltarea ulterioară a acestei tehnologii a senzorilor va trebui să ia în considerare impactul deshidratării severe asupra preciziei senzorului. Aplicabilitatea în timp real a senzorului este obținută datorită variației instantanee a concentrației de glucoză în MUT, ceea ce duce la permitivitatea dielectrică a acestuia, care modifică permitivitatea efectivă a mediului senzorului și, prin urmare, duce la schimbarea frecvenței (a se vedea Eq. 1).,
schimbare de Frecvență ca rezultatele de deshidratare. Se poate observa că, deshidratarea scăzută până la moderată (până la 5%), are interferențe foarte mici cu răspunsul senzorului. Dar, deshidratarea severă ar putea avea același impact asupra schimbării frecvenței ca și variația de aproximativ 50 mM/l a concentrației de glucoză. Deși are ca rezultat o eroare uriașă, deshidratarea severă este o problemă mortală, iar pacienții trebuie spitalizați imediat în consecință., Deci, s-ar putea considera efectul deshidratării scăzute până la moderate ca o eroare minimă care este mai mică decât impactul variației de 0,3 mM/l a concentrației de glucoză.în tabelul 1 este prezentată o comparație cuprinzătoare între structura prezentată și unele dintre lucrările de ultimă generație care utilizează alte metode decât cuptorul cu microunde. O altă comparație cantitativă între diferiți senzori de glucoză pe bază de tehnici cu microunde și lucrarea curentă este prezentată în tabelul 2., Deși, unele dintre lucrările rezumate par să aibă o sensibilitate mai mare decât lucrarea propusă, dar acestea sunt în mare parte ca urmare a distanțelor mai mici între rezonatorii lor și probă datorită utilizării canalelor microfluidice extra-subțiri. Această justificare este în totalitate în acord cu conceptul prezentat în Fig. 2. Se putea vedea din Fig. 2e că schimbarea frecvenței (adică sensibilitatea) este redusă drastic odată cu creșterea distanței eșantionului față de senzor într-o manieră exponențială., Prezentăm proiectarea și testarea senzorului de glucoză neinvaziv cu o sensibilitate foarte ridicată, în ciuda distanței considerabile dintre senzor și mediul de testare care ar fi de așteptat în aplicațiile biosenzante din viața reală.