i detta avsnitt den föreslagna glukosövervakningssensorn presenteras tillsammans med scheman, design tillvägagångssätt, presenterade parametrar, egenskaper, analys och olika genomförda experiment för glukoskoncentrationsmätning i olika förhållanden samt en intensiv diskussion inklusive analys av olika parametrar effekter på mätningen.,
Chipless tag resonator sensor design
Figur 2 presenterar perspektivvyn av fältkoncentrationerna hos den chipless microwave sensorn för glukosavkänning applikationer. Sensorn är ett ringformat kopparspår som är utformat för att fungera runt 4 GHz, som visas i Fig. 2., Denna frekvens väljs eftersom det finns en stor skillnad mellan vatten, som huvudmaterial i interstitiell vätska, och mättad glukoslösning permittivitet medan deras förlustfaktorer är fortfarande små, och därför mätning vid denna frekvens kommer att resultera i en betydande frekvensskifte och därmed enheten känslighet46. Eftersom förlustfaktorn vid denna frekvens fortfarande är låg för vatten, kommer resonatorns kvalitetsfaktor att förbli hög vilket är av hög betydelse för hög precisionsmätningar., Eftersom sensorn är konstruerad av två resonatorer finns det två toppar och skåror i spektrumet. I denna mätning kommer endast det Hack som är relaterat till taggen att övervägas. Som visas i Fig. 2, sensorn överväger variationerna i mediet som introduceras till etiketten som är hud och dess Under inklusive interstitiell vätska och blod beroende på sensorns monteringsplats. Variationer i materialets tillåtlighet i de regioner som utsätts för högre koncentrationsfält bidrar mer till frekvensskiftet. För att kvantifiera detta faktum, i Fig., 2, en MUT med olika lager staplade ovanför sensorn presenteras. Alla lager har samma dielektriska permittivitet på 1 och samma tjocklek på 1 mm och endast permittivitet hos en av dem ändras till 2 Vid varje steg. Resultaten illustreras i Fig. 2c verifierar våra motiveringar. Baserat på denna observation verkar glukoskoncentrationsvariationer i ISF ha mycket mer inverkan på sensorns frekvensförskjutning än dess variationer i blodet. Därför modelleras endast vätskor och komponenter i ISF i efterföljande underavsnitt.,
Detekteringsmekanism
i denna del beskrivs olika parametrar som används som utgångar eller detekteringsmekanismer för den presenterade sensorn för glukosövervakning. Dessutom kommer vissa högfrekventa simuleringar och analyser att tillhandahållas för att verifiera överlägsenhet av den föreslagna sensorns prestanda.,
Frekvensvariation
resonansfrekvensen för mikrovågssplitring resonatorer (fr) är en funktion av omvänd effektiv permittivitet (er,eff) av resonatorns miljö47 som i allmänhet är en okänd funktion av substratets dielektriska permittivitet och permittiviteten hos experimentell installation och MUT också.
När MUT introduceras till en resonator ändras systemets totala effektiva permittivitet och därför resonansfrekvensen hos resonatorn., Denna förskjutning i resonansfrekvensen är därför ett mått för bestämning av det införda materialet för en konstant volym. Frekvensskiftmätning är en robust parameter mot additiv brus och är också lätt att mäta. Avläsningskretsar har utvecklats med detektionsgränserna i intervallet 100 ppb (delar per miljard) enkelt vilket gör hög upplösning frekvensskiftmätning både exakt och straightforward48.
Amplitudvariation
en annan utgång av mikrovågsresonator som kan vara ovärderlig för att uppnå en inblick i MUT är amplitudvariation., Amplitudvariationen är oftast inträffade som ett resultat av variationer i ledningsförmåga MUT49. Detta händer vanligtvis när koncentrationen av elektrolyter förändras inuti ISF. Eftersom konduktivitetsspektrumet för material skiljer sig åt i trend (om inte helt ortogonalt) från deras permittivitet, kan studier av amplitudvariationer vara mycket användbara.
känslighetsanalys
Med tanke på frekvensskift som huvudparameter för sensorn, kan känsligheten definieras som frekvensskiftet kontra permittivitetsvariationer för MUT för en viss volym., Eftersom varje forskning använder godtycklig behållarvolym och form, för att ha en meningsfull förståelse för känslighetsförbättring i den föreslagna sensorn, presenteras en jämförelse mellan traditionella mikrovågsresonatorer och den nuvarande introducerade sensorn utformad med samma frekvens här. Som visas i Fig. 3, ett ytligt material med specifik volym och form som täcker hela området av båda resonatorerna med er = 4 introduceras som MUT. Frekvensskiftet berodde på relativ permittivitet variation till 10 för den föreslagna sensorn är 700 MHz som är mer än 3.,5 gånger högre än frekvensskiftet för den traditionella resonatorn. Begränsad känslighet hos den traditionella resonatorn är resultatet av begränsade elektromagnetiska fält mellan resonatorn och dess markplan (se Fig. 2a). I traditionella resonatorer, på grund av detta fenomen, har substratet en viktigare roll för att definiera resonansfrekvensen snarare än MUT. På grund av avlägsnandet av substratet för taggen i det presenterade arbetet är den viktigaste variabla parametern som definierar resonansfrekvensen för taggen Mut-permittiviteten., För att studera detta koncept har en annan simulering uppnåtts för både konventionella och presenterade resonatorer. Som avbildas i Fig. 4, olika substrat permittivitet har använts med olika permittivitet för MUT för både traditionella och de föreslagna sensorerna. Det kan ses att substratgenomsläpplighet för traditionella resonatorsensorer är den dominerande parametern vid bestämning av resonansfrekvensen hos strukturen medan effekten av substratgenomsläpplighetsvariationer på den föreslagna sensorn är mycket liten och till och med försumbar., För resten av detta dokument definierar vi känslighet eftersom frekvensvariationen berodde på 1 mM / l glukoskoncentrationsförändring för en specifik testinställning.
Känslighetsjämförelse mellan den presenterade sensorn och traditionella mikrovågsresonatorsensorer. (a) föreslagen sensorkänslighetsprovningsinställning med ett ytligt material med relativ permittivitet mellan 1 (bare resonator) och 10. (B) traditionell mikrovågsresonatorsensor med samma volym och permittivitet., C) och d) spektrumet för båda uppsättningarna från avsnitten A respektive b samt deras resulterande spektrum från Mut relativa permittivitetsvariationer från er = 1 till er = 10. Det kan ses att frekvensskiftet i samband med den föreslagna sensorn är 700 MHz (c) i jämförelse med 200 MHz för den traditionella sensorn (d) i samma skick.,
jämförelse mellan substratets inverkan vid bestämning av resonansfrekvensen hos de traditionella och föreslagna sensorerna. Frekvensskift kontra MUT permittivitet för olika permittivitetsvärden för substrat för (a) traditionella sensorer, (b) föreslagna sensorer; det kan ses att effekten av substrat permittivitet i traditionella resonatorsensorer är dominerande medan dess inverkan är försumbar för den föreslagna sensorn., Detta är orsaken till högre uppnådd känslighet för denna design i jämförelse med de traditionella sensorerna.
Distant measurement analysis
en annan anmärkningsvärd egenskap hos det presenterade arbetet är fjärranalysfunktionen. Denna egenskap är särskilt viktig för bärbara elektroniska applikationer. Förutom möjligheten att bädda in läsaren i en smart klocka, telefon eller en gadget, ger denna anmärkningsvärda funktion nya paramount fördelar som noll strömförbrukning, extremt låg kostnad och liten storlek för sensing taggen., För att få en bättre inblick i denna egenskap har en annan simulering åstadkommits genom att placera MUT med specifik relativ permittivitet ovanpå taggen och öka avståndet mellan läsaren och taggen. Det kunde ses i Fig. 5 den taggen fortsätter att kommunicera med läsaren för nästan 11 mm med absolut noll effekt som är helt tillräckligt för vår ansökan.,
(a) simuleringsinställning för karakterisering av avståndsmätning av den föreslagna sensorn (bilden erhålls från HFSS). B) Definition av notch to signal floor ratio (nsfr) för den presenterade simuleringen. (C) signalens NSFR mot sensorns avstånd från läsaren.,
experiment
olika mätningar har utförts för att kontrollera prestandan hos den föreslagna icke-invasiva glukosmätningssensorn. Först och främst utförs glukoskoncentrationsmätning i avjoniserat (DI) vatten. För att studera sensorns konsistens och stabilitet samt ställa in ett return-To zero-test utförs med så höga koncentrationer av glukos som 200 mM / l (Fig. 6)., Även om detta värde är orealistiskt högt, men det kommer att ge ovärderlig insikt genom konsekvens av sensorprestanda genom att införa DI vatten med noll glukoskoncentration och di vatten med 200 mM/l glukoskoncentration alternativt till sensorn. Figur 6d skissar resonansfrekvenshäramplituden för sensorns S21-svar. Det kan ses att sensorns svar är både stabilt och repeterbart. Även sensorns höga känslighet är märkbar., Såvitt vi vet är den uppnådda känsligheten för detta arbete, 60 kHz/1 mM/l glukoskoncentration som är överlägsen de bästa resultaten som rapporterats i litteraturen oavsett form och volym av MUT. Detta innebär att sensorns svar är mindre mottagligt för miljöljud än dess konventionella motsvarigheter.
(a) S21 experimentell respons av sensorn för extrema fall att införa prover med 0 mM/L och 200 mM / l glukoskoncentration fo sensorn., B) frekvensskifte mot glukoskoncentration i extrema fall av 0 och 200 mM/l glukoskoncentration i DI vatten. Det kan ses att sensorns svar är mycket konsekvent och repeterbart. C) Amplitudförskjutning mot glukoskoncentration i extrema fall av 0 och 200 mM/l glukoskoncentration i DI vatten. d) sensorns S21-respons för små variationer av glukoskoncentrationen i Di vatten från 0 till 40 mM / l. E) frekvensskifte mot glukoskoncentration för koncentrationsvariationer från 0 till 40 mM / l., Det kan ses att stora resultat har uppnåtts med mycket hög genomsnittlig känslighet på 60 kHz/1 mM / l glukoskoncentration. (f) Amplitudförskjutning mot glukoskoncentration för koncentrationsvariationer från 0 till 40 mM/l.
för nästa steg framställs prover med 10 volymetriska procent av hästserum för modellering av ISF. Både return-To zero och små variationer av glukoskoncentrationsprover har testats med lovande resultat som uppnåtts som skisserat i Fig. 7., För att uppnå en bättre idé om sensorns prestanda är det vanligt att ta itu med glukoskoncentrationen kontra frekvensskiftet som de uppmätta data. En interpoleringskurva passande process sedan åstadkommes baserat på de resulterande data. Dessa resultat presenteras i Fig. 7D.
experimentella resultat av prover med glukoskoncentration i DI vatten med 10% av hästseruminnehåll. a) sensorns S21-respons för glukoskoncentrationer från 0 till 30 mM/l., B) Amplitudvariationer mot glukoskoncentration från samma experiment. C) frekvensskifte mot glukoskoncentration. Det kan ses att den totala permittiviteten för vattenserumlösningen, enligt lägre permittivitet i jämförelse med vatten, reduceras och därför reduceras effekten av glukosvariationen på lösningens totala permittivitet, vilket resulterar i en lägre känslighet på 43 kHz/1 mM/l glukoskoncentration., (om vi hade återvänt till nollresultat kunde vi integrera dem med detta fig också), (d) en kalibreringskurva för glukoskoncentration jämfört med den uppmätta frekvensskiftet. Observera att kalibreringskurvan ger en rimlig anpassning till datapunkten trots vissa fel som kan ha samband med en liten variation i försöksproverna.
för att ytterligare efterlikna ett mer fysiologiskt tillstånd utförde vi glukosavkänningsexperiment genom ett lager av mushud., I dessa experiment ingår saltlösning i provet med elektrolyter och jonkoncentrationer som beskrivs i avsnittet ”Resultat och diskussion”. Enligt konduktivitetsökning av proverna ökar amplituden för notchfrekvensen. För detta experiment används en rakad mushud med ca 300 µm tjocklek insvept i en förseglad plastpåse mellan sensorn och vätskan. Därför ligger provet i ytterligare avstånd från sensorn. Som visas i Fig. 8, sensorns känslighet minskar med samma motivering som Fig., 2 som ett resultat av att öka avståndet mellan ISF-provet och sensorn. Systemets känslighet för förändringar i glukoskoncentrationen är dock fortfarande överlägsen andra icke-invasiva tekniker som hittills publicerats.
experimentella resultat av påverkan av glukoskoncentration variation i prover med Di vatten + serum + saltlösning. a) sensorns frekvensskifte som svar på alternativt ändring av glukoskoncentrationen från noll till 200 mM/l., Det kan ses att den föreslagna sensorn presenterar ett stabilt och repeterbart svar över tiden. b) sensorns frekvensskifte som svar på små variationer i glukoskoncentrationen. Det kan ses att den totala känsligheten reduceras till 38 kHz/1 mM/l av glukoskoncentrationsvariationen genom att huden införs mellan sensorn och provet.
diskussion
även om mikrovågsugn resonatorer har imponerande egenskaper, finns det fortfarande en mycket utmanande fråga kvar., Eftersom någon variation i muts permittivitet återspeglas i resonatorns frekvensskifte finns det en oro över osäkerheten hos den faktiska källan till frekvensskifte. För att ta itu med denna fråga tillhandahålls en omfattande diskussionsdel inklusive vissa experiment.
den presenterade sensorn syftar till att mäta glukoskoncentrationen i ISF, som är en vätska som innehåller cirka 40% av människokroppens vatten som omger cellerna som fungerar som näringsämne som transporterar från blodkapillärer och avfallsuppsamlingsmedium för cellerna., Förutom vatten och plasma innehåller ISF också glukos, fettsyror och salter. Hittills har glukosvariationseffekter testats. Här tillhandahåller vi några experiment för att studera effekterna av mineralvariationer på sensorns frekvensförskjutning. De viktigaste jonerna i ISF är natrium, kalium, klorid, kalcium, magnesium, bikarbonat och fosfat. Eftersom natrium – och kloridjoner har en eller flera storleksordningar högre variationsområde i jämförelse med de andra jonerna, för enkelhetens skull anses de vara de enda variabla jonerna experimenten. Det kunde ses från Fig., 9 att eftersom joner mestadels påverkar mutens ledningsförmåga, kommer det inte att ändra sensorns frekvens. Eftersom frekvensförändring anses vara sensorns huvudutgång är det därför osannolikt att jonkoncentrationsvariationer inte stör resultaten från glukosrelaterad frekvensförändring. Dessutom är fettsyrakoncentrationsvariationen inuti ISF i intervallet < 1 mM/L och därför är dess effekter minimala på frekvensförskjutningen i jämförelse med effekten av glukosvariation.,
effekten av saltlösningsvariationer på sensorns respons; här har endast NA-och Cl-koncentrationer ändrats som de viktigaste elektrolyterna i ISF från 0 till 150 mM/l. även om den maximala variationen sker i människokroppen är begränsad från 136-150 mM/L, är en överdriven variation testas här för att presentera beviset på konceptet., Det kan ses att saltkoncentrationen har en viktig inverkan på responsens Amplitud men dess resulterande frekvensskifte är mindre än 20 KHz vilket är helt försumbar. Fallet skulle vara ännu mer försumbar i verkligheten, på grund av mindre variationer i elektrolyterna.
en annan viktig parameter att överväga är joniska koncentrationsförändringar som uppträder som ett resultat av hydrationsnivåer. Till exempel förekommer mild uttorkning ofta regelbundet hos människor., Dehydrering påverkar direkt vattenhalten i ISF och kan därför ändra dess permittivitet och påverkar därmed sensorns prestanda och precision. Provberedningsmetoden presenteras i nästa avsnitt. Figur 10 visar frekvensskiftet kontra dehydrering procent med alla andra variabler återstående konstant. Våra resultat visar att låg till måttlig uttorkning har en mindre effekt på frekvensskiftet ännu mindre än effekten av 1 mM/l variation i glukoskoncentration., Allvarlig dehydrering har emellertid potential att störa frekvensförskjutningen till följd av glukosvariationer och äventyrar därför sensorns glukoskänslighet. Därför måste vidareutveckling av denna sensorteknik överväga effekten av allvarlig uttorkning på sensornoggrannhet. Sensorns realtidstillämplighet uppnås på grund av omedelbar variation i glukoskoncentrationen i MUT resulterar i dess dielektriska permittivitet som förändrar sensorns effektiva permittivitet och resulterar följaktligen i frekvensförskjutning (se Eq. 1).,
Frekvensförändring som resultat av uttorkning. Det kan ses att låg till måttlig uttorkning (upp till 5%) har mycket liten störning av sensorns svar. Men allvarlig dehydrering kan ha samma inverkan på frekvensskiftet som cirka 50 mM/l variation i glukoskoncentrationen. Även om det resulterar i stora fel, svår uttorkning är ett dödligt problem och patienter bör läggas in på sjukhus omedelbart därefter., Så man kan överväga effekten av låg till måttlig uttorkning som ett minimalt fel som är mindre än effekten av 0,3 mM / l variation i glukoskoncentration.
en omfattande jämförelse mellan den presenterade strukturen och några av toppmoderna verk med andra metoder än mikrovågsugn beskrivs i Tabell 1. En annan kvantitativ jämförelse mellan olika mikrovågstekniker-baserade glukossensorer och det aktuella papperet presenteras i Tabell 2., Även om några av de sammanfattade verken verkar ha högre känslighet än det föreslagna arbetet, men de är mestadels som ett resultat av lägre avstånd mellan sina resonatorer och prov på grund av användning av extratunna mikrofluidiska kanaler. Denna motivering överensstämmer helt och hållet med det koncept som presenteras i Fig. 2. Det kunde ses från Fig. 2e att frekvensskiftet (dvs känslighet) reduceras drastiskt med att öka avståndet från provet från sensorn på ett exponentiellt sätt., Vi presenterar design och testning av icke-invasiv glukossensor med en mycket hög känslighet trots det stora avståndet mellan sensorn och testmediet som skulle förväntas i verkliga biosenserande applikationer.