基于频率选择超构表面的射频葡萄糖传感器，传感表面与被测物无需直接接触
2024-11-03 10:03:24   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

基于电磁波的葡萄糖传感是热点研究领域之一，尤其是医疗保健电子应用。在新冠疫情期间，一些研究小组甚至将现有射频/微波葡萄糖传感方法扩展到检测样本中的冠状病毒。

溶有葡萄糖的液体的介电常数是葡萄糖浓度的函数。葡萄糖浓度的变化会相应引起介电常数的变化。理论上，这一事实可以很好地用于测量样品中的葡萄糖浓度。然而，葡萄糖测量并非如此简单。许多已知的挑战使得这种测量过程变得困难，甚至无法实现。其中一个挑战就是灵敏度。含葡萄糖样本的介电常数对葡萄糖浓度的变化不够敏感。在临床糖尿病范围，葡萄糖浓度发生较大变化时，介电常数的实际变化往往太小而难以检测。也就是说，含葡萄糖样本的介电常数与浓度之间的相关性太弱，根本无法判断测试样本中的葡萄糖浓度。

尽管测试样本的介电常数与葡萄糖浓度的依赖性很弱，但葡萄糖浓度与其异常色散的相关性却很大。色散反映介电常数与外加电场频率的关系。当频率增加时，介电常数的实部从正值变为负值时，就会发生异常色散。除非工作频率正好在谐振频率附近，否则不会出现异常色散。目前，大多数实验性葡萄糖传感器都是基于测试样本与传感区域直接接触所产生的异常色散效应。在这种方案中，传感区域通常是一个二维超构表面，在谐振时会产生色散。利用色散效应，可通过手动矢量网络分析仪或增益/相位检测器自动测定共振频率偏移来确定葡萄糖浓度。

在射频/微波频率下，超构表面通常是由金属和狭缝组合而成的单元矩阵。然而，根据测试，测试样本中的化学物质和离子会逐渐侵蚀超构表面，使其生锈或氧化而变质。随着时间的推移，传感器会失去原有的性能。至少，传感器的品质因数会受到超构表面积累的金属污染物的负面影响。接触引起的污染不仅会降低传感性能，还会引发其他一些看似无关的问题，如交叉感染。这也是为什么在测量过程中需要不断用磷酸盐缓冲溶液清洗传感头的原因之一。

另一方面，目前大多数葡萄糖传感器的传感区域都是直接在厚电介质基板上制作的。在测量葡萄糖时，传感区域的另一侧通常与被测对象接触。色散程度取决于有效介电常数，根据Maxwell-Garnett近似，有效介电常数可根据体积比、传感区域上谐振元件的等离子介电常数、基板的介电常数以及被测对象的介电常数确定。

据麦姆斯咨询介绍，为了克服上述问题，中国科学院深圳先进技术研究院、印度苏里尼大学和马来西亚英迪国际大学组建的国际研究团队，提出了另一种基于类似工作原理的葡萄糖传感器，不过，所提出的传感器在超构表面和被测物体之间无需进行任何直接接触。其超构表面由一层薄薄的界面介电材料进行物理保护。在该团队之前的一项研究中，他们发现人体皮肤下的脂肪层是一种绝缘层，会影响葡萄糖传感器在体内测量时对血糖浓度的灵敏度。但在这项研究中，所提出的新型传感器依然表现出了几乎同样出色的灵敏度。

所提出葡萄糖传感器的细节如下图所示。该糖传感器是在0.254 mm厚的柔性Duroid RT5880基板上制作的（20 mm x 10 mm）印刷电路。基板顶部的金属化结构是连接端口1和端口2的微带线。微带线与两个互补矩形谐振器紧密耦合。图1c显示了所提出设计的尺寸（俯视图和超构表面的底部单元）。从图1d的照片中可以看出，互补谐振器的金属化已通过电镀铜有意加厚，形成两个高度为1 mm的互补矩形容器。每个互补矩形谐振器的最长长度正好为13 mm。底部超构表面如图1e所示。测量时，将所提出传感器的端口1和端口2与矢量分析仪连接，连接方式如图1f所示，并使用精密微量移液管将测试葡萄糖溶液完全充满两个互补谐振器。

本文所提出的葡萄糖传感器。（a）印刷电路板顶部的金属化结构（棕色为铜）；（b）印刷电路板背面的金属化结构（蓝色为移除/蚀刻部分）；（c）所提出单元尺寸；（d）显示所提出葡萄糖传感器顶部的原型；（e）显示所提出葡萄糖传感器背面的原型；（f）所提出传感器的测量装置和横截面视图。

（a）准备好的不同浓度葡萄糖溶液（25 mg/dL–500 mg/dl）；（b）测量到的反射系数与频率的函数关系。

不同葡萄糖浓度（50 mg/dl、75 mg/dl、100 mg/dl、125 mg/dl、150 mg/dl、175 mg/dl）下测得的S11参数谐振频率。

本文所提出的设计对葡萄糖溶液的测量非常有用。超构表面为传感器提供了强大的基础，使其能够获得所需的工作频率和光束向上传播的特定方向。这种设计已被证明适用于葡萄糖溶液测试，此外，它也可用于血清溶液测试，这也是该研究未来进一步探索的方向。不仅如此，还可以通过修改设计将该传感器扩展到直接在人体上工作的可穿戴系统。如果能按照提出的设计思路使设计尺寸更加紧凑，就有可能实现系统级集成。由于这类射频微波设计是在具有高耐用性并经过电子研究测试的基板上进行的，因此可以提供低功耗或功耗可忽略不计的强大设计方案。此外，未来还可以设计一种功率回收传感器，以避免任何形式的功率损耗。

总结来说，本文所提出的葡萄糖传感器成功实现了在与传感区域没有任何直接接触的情况下测量溶液中的葡萄糖浓度，灵敏度为4 MHz/（mg/dl）。该葡萄糖传感器具有一个界面电介质层，将葡萄糖溶液和传感表面隔开，该传感表面为反射超构表面。该葡萄糖传感器与理论预测一致，谐振频率为9-10 GHz。在临床糖尿病范围内，其谐振频率偏移与葡萄糖浓度的相关性呈高度线性关系。结合理论预测，实验结果表明，如果界面电介质层的厚度足够小，它的存在并不会过度损害葡萄糖传感器的传感灵敏度。这项成果的意义可用于定制体内葡萄糖传感方法学。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41598-024-76741-y

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