用于微波葡萄糖浓度传感的紧凑双菱形环超材料吸收器：设计与实验验证

《Sensing and Bio-Sensing Research》：A compact dual diamond-ring metamaterial absorber with experimental validation for microwave-based glucose concentration sensing

　　

研究人员提出、制备并实验表征了一种紧凑的X波段超材料吸收器（metamaterial absorber, MA），用于微波测定葡萄糖浓度，并以详细的设计与分析研究为支撑。所提出的单元由双菱形环谐振器（dual diamond-ring resonator）构成，包含开缝内环和中央连接条，制作在FR-4基板上，整体尺寸为6 × 6 mm²。优化后的吸收器在10.577 GHz处呈现显著谐振，并伴随强电场与磁场约束，从而增强电磁（EM）场与葡萄糖分析物之间的耦合。为提供谐振行为的物理洞见，研究人员建立了等效电路表示（equivalent circuit representation, ECR），并通过全波仿真进行验证。研究人员系统开展了谐振器几何演化及综合参数研究，以确定结构参数对吸收特性的影响。该吸收器进一步表现出极化无关工作及斜入射下稳定性能，证实其稳健的EM响应。对于葡萄糖传感，研究人员采用Debye弛豫模型（Debye relaxation model）确定0–500 mg/dL浓度范围内葡萄糖水溶液的介电特性，并将其纳入电磁仿真。所提出的吸收器为基于频移分析葡萄糖水溶液提供了紧凑配置。模拟和测量灵敏度分别为1.386和1.3794 MHz/(mg/dL)，实验验证限于制备的水溶液样品。所提出的吸收器结合了紧凑占位、简单平面构型和经实验验证的葡萄糖浓度传感能力，展示了其用于微波传感葡萄糖水溶液的潜力。

研究背景与问题。无线通信与物联网的发展提升了对紧凑、高频电磁系统用于通信与传感的需求；微波谐振传感可通过谐振频移检测材料介电特性变化，且具有快速、无损、实时、低成本、无标记和非接触等优势。超材料吸收器（metamaterial absorber, MA）因近 unity 吸收及强电场、磁场局域能力，可增强电磁场与分析物相互作用，适合敏感传感。糖尿病管理需要持续监测血糖，传统指尖采血方法虽精确但具侵入性、疼痛且连续监测依从性受限。既有微波葡萄糖传感器多依赖传输参数（S₂₁）测量、复杂谐振器几何、微流体或复杂测量装置，且紧凑吸收器结合高效场约束、高吸收、自由空间测量和较完整实验验证的研究仍较少；测量重复性、样品定位、介电变化敏感性、选择性和真实条件验证仍是挑战。为此，研究人员提出一种6 × 6 mm²紧凑X波段双菱形环MA，含开缝内环和中央连接条，并将结构优化、等效电路表示（ECR）与0–500 mg/dL葡萄糖水溶液的自由空间频移实验评估相结合。

研究开展、结论与意义。研究人员通过单元结构设计、全波仿真、ECR建模、结构演化与参数分析、极化与斜入射稳定性分析、印制电路板（printed circuit board, PCB）制备及自由空间测量，研究该MA的谐振、吸收和葡萄糖浓度传感性能。结果表明，优化结构在10.577 GHz附近实现近 unity 吸收，ECR与全波仿真反射响应吻合；实测原型谐振于10.583 GHz，较仿真偏移6 MHz；在0–500 mg/dL范围内，谐振频率随葡萄糖浓度近似线性升高，模拟和实测灵敏度分别为1.386和1.3794 MHz/(mg/dL)，二者接近。该研究的意义在于提供紧凑、平面、可自由空间测量的MA平台，并以实验支持其用于实验室水溶液葡萄糖浓度传感的可行性；但原文同时强调，该结果不建立葡萄糖特异性检测或临床适用性。

关键技术方法。全波电磁仿真采用CST Microwave Studio，建立电阻-电感-电容（RLC）三支路等效电路并在Advanced Design System（ADS）中校准；开展结构演化和七项参数扫描；按FR-4 PCB光刻工艺制备8 × 8阵列；采用矢量网络分析仪（vector network analyzer, VNA）与喇叭天线进行自由空间反射测量并校准，在单元中心施加5 μL液滴；样本为研究人员制备的0–500 mg/dL葡萄糖水溶液，未涉及临床生物样本队列，按Hofmann等Debye参数赋介电特性，于26 °C下进行三次重复测量和线性回归。

研究结果。
结构设计。通过单元几何建模、CST全波仿真与ADS等效电路响应对比，得出双菱形环、开缝内环和中央连接条共同形成强谐振；连续铜地面使S₂₁≈0，吸收近似为A≈1?|S₁₁|²，在10.577 GHz处吸收达0.999985，反射系数约?35 dB，ECR与CST反射响应吻合。

所提出结构的演化。通过Stage-I至Stage-IV的吸收响应以及电场、磁场和表面电流分布对比，得出双环增加有效电感和环间耦合，开缝引入电容负载并集中电场，中央连接条改变电流分布并增强场局域和自由空间阻抗匹配；最终Stage-IV在10.577 GHz获得近 unity 吸收。

参数分析。通过扫描基板厚度t_s、第一菱形环外半径D_Ror1和内半径D_Rir1、第二菱形环外半径D_Ror2和内半径D_Rir2、开缝宽度g_s及中央连接条宽度W_c，得出最优参数为t_s=2.0 mm、D_Ror1=3.0 mm、D_Rir1=2.5 mm、D_Ror2=2.0 mm、D_Rir2=1.5 mm、g_s=0.5 mm、W_c=0.32 mm，此时在10.577 GHz近 unity 吸收。

稳定性分析。通过极化角和斜入射仿真，得出该吸收器在0°–90°极化范围内谐振频率和吸收水平几乎不变；横向电（transverse electric, TE）入射下吸收率>90%直至75°，横向磁（transverse magnetic, TM）入射下>90%直至65°，谐振频率近不变。

制备与测量结果。通过PCB制备8 × 8单元、整体5 cm × 5 cm的阵列，并在自由空间VNA装置中测量，得出实测谐振10.583 GHz、反射系数?36.3 dB，与仿真相差6 MHz；实测TE入射下吸收率>90%直至70°，TM入射下直至60°，实验验证了角度稳定性，TE下角度容限更佳。

葡萄糖浓度传感性能。通过Debye模型将0–500 mg/dL葡萄糖水溶液介电参数输入CST，并对制备液滴进行自由空间频移测量和线性回归，得出模拟谐振由10.577 GHz移至11.292 GHz，总频移715 MHz；实测以0 mg/dL水负载响应10.6497 GHz为基线，移至11.347 GHz，总频移697 MHz；实测拟合f_r=10.646413+0.0013794C，R²=0.9995，灵敏度1.3794 MHz/(mg/dL)；模拟灵敏度1.386 MHz/(mg/dL)，R²=0.998；重复测量标准差（standard deviation, SD）约1.0–2.6 MHz；平均绝对误差（mean absolute error, MAE）约2.81 mg/dL，均方根误差（root mean square error, RMSE）约3.72 mg/dL；初步检出限（limit of detection, LOD）约5.44 mg/dL；实测品质因数（quality factor, Q-factor）约44.2，模拟约44.1；实测优值（figure of merit, FOM）约0.00557 (mg/dL)^?1，模拟约0.00578 (mg/dL)^?1。

讨论部分总结。原文指出，测量重复性仅以三次重复作初步评估，样品定位、液滴体积和蒸发影响未独立量化，温度依赖性能未评估，选择性和潜在干扰物未实验建立；生物体液中的盐、蛋白等可能改变有效复介电常数并干扰葡萄糖浓度估计。Debye参数取自文献，未在本研究独立测量，模型对特定溶液和实验条件的准确性未独立验证；MAE和RMSE由同一拟合数据集计算，不构成独立验证；LOD仅基于三次空白测量初步估计，分辨率和最小可检测介电变化未量化。与既往传感器比较时，因工作频率、谐振器几何、传感配置、浓度范围和测量参数不同，不能作确定性优越性结论。原文强调结果支持实验室水溶液葡萄糖浓度传感可行性，但不证明葡萄糖特异性或临床适用性。

研究结论翻译。研究人员设计、制备并实验验证了一种用于微波葡萄糖浓度传感的双菱形环超材料吸收器。紧凑的6 × 6 mm²结构提供局域电磁场，增强与分析物的相互作用。等效电路建模和参数分析为其谐振行为和吸收特性提供了洞见。该吸收器在10.577 GHz附近呈现峰值吸收频率，具有极化无关工作及斜入射下稳定响应。所提出的传感器在0–500 mg/dL葡萄糖水溶液浓度范围内表现出可测的谐振频率偏移，模拟和测量灵敏度分别为1.386和1.3794 MHz/(mg/dL)。两者接近支持数值和实验结果的一致性。紧凑构型、双菱形环几何以及等效电路建模与自由空间测量的结合，使所提出的设计成为有前景的实验室微波传感平台。然而，与既往传感器的比较应考虑工作条件和传感指标的差异。当前验证限于制备的葡萄糖水溶液。温度变化、液滴放置效应、蒸发及潜在干扰物质需要进一步系统研究。因此，结果证明了浓度依赖响应，但未建立葡萄糖特异性检测或临床适用性。未来工作将聚焦于受控环境表征、干扰测试及相关生物样品验证。