使用葡萄糖氧化酶混合物的声表面波（SIW）生物传感器用于葡萄糖检测

《Sensors and Actuators A: Physical》：SIW biosensor for glucose detection using glucose oxidase mixture

　　

**主要贡献**

- 基于SIW生物传感器采用三腔谐振器增强场约束，用于葡萄糖检测。
- 基于GOx的介电层在仿真中模拟了酶辅助的葡萄糖特异性。
- 在Rogers基底上实现品质因子约322。
- 在10–200 mg/dL范围内平均灵敏度约为2 MHz·(mg·dL?1)?1。
- 提供低成本、无创、实时葡萄糖传感，并具有改善的选择性。

**引言**

糖尿病是一种以持续性高血糖为特征的疾病，由胰岛素分泌不足、胰岛素作用不足或两者兼有引起，需要密切监测血糖水平[1]。通过有效的葡萄糖监测维持血糖控制可降低糖尿病风险。由于指尖采血测试和其他传统葡萄糖监测技术具有侵入性且令人不适，对连续、精确且无创的葡萄糖监测系统的需求正在上升。

生物传感器因其灵敏度、特异性和微型化潜力，已成为葡萄糖检测中日益具有前景的仪器[2]、[3]。生物传感器通常由一个将生物接触转化为可测量信号的换能器和一个生物识别元件（如酶）组成[4]。葡萄糖氧化酶（GOx）是葡萄糖生物传感器中常用的酶，因其对β-D-葡萄糖具有高特异性，且能够催化葡萄糖转化为葡萄糖酸内酯，从而产生过氧化氢（H?O?）[5]、[6]。通过定量测量产生的H?O?，可以间接确定葡萄糖浓度。

葡萄糖生物传感器使用了多种换能过程，包括压电[7]、光学[8]、[9]、[10]和电化学技术[11]、[12]、[13]。电化学传感器在受体酶稳定性方面存在显著挑战，其性能会随时间和分析物浓度而下降[14]。光学传感器尽管具有非接触测量和快速响应的特点，但成本昂贵且易受外部因素影响[15]。微波传感器（MWS）的检测能力在其中引起了最大的关注[16]、[17]、[18]。这些传感器依赖于测试样品电特性的变化[19]。在基于微波谐振的传感技术中，测试材料与传感器的接触会改变谐振频率或谐振附近的插损水平。

近年来，出现了大量基于微波平面波导的传感器，利用谐振频率偏移作为传感介质介电特性变化的精确指标[20]、[21]。一种工作频率为5.7 GHz、灵敏度为0.089 MHz/mg·dL?1的平面MWS被提出用于糖尿病患者的葡萄糖检测[22]。利用改良的开口环谐振器，一种基于SIW的9 GHz MWS被提出用于葡萄糖监测，其品质因子（Q）为240[23]。基于插损的传感器通过监测因材料吸收引起的信号幅度变化来工作[24]、[25]。一种基于六边形CSRR的便携式平面MWS在2.4–2.5 GHz ISM频段工作，用于快速准确的葡萄糖监测，通过体外和初步体内测试展示了高灵敏度（70–120 mg/dL范围），并确认了检测能力和在可穿戴雷达驱动血糖监测系统中的潜力[26]。基于相位的传感器依赖于被感材料，引入相位变化[27]。一种紧凑、经济有效的Omega形谐振器耦合开口环谐振器（OSR-SRR）MWS经机器学习增强，用于溶液和指尖样品的葡萄糖监测，实现了282.20 × 10?3 dB/(mg/dL)和0.56 MHz/(mg/dL)的灵敏度[28]。由于生物分子含量显著影响溶液的损耗角正切值，基于Q的传感器对生物分子检测尤为相关。Q-based传感器对浓度水平的微小变化非常敏感，因为该损耗角正切值与Q因子成反比[29]、[30]。一种低成本、增材制造的生体相容葡萄糖传感器被开发并验证有效，其采用单个SRR和无载Q作为传感参数，具有反向微带设计和3D打印生体相容材料，工作频率为4.50–4.62 GHz，Q灵敏度高达0.6 × 10?3/mg/dL，在生理和工业葡萄糖浓度下均表现出有效检测能力[31]。可以使用多种技术改善性能，尤其是灵敏度，例如相位斜率控制，允许对设备进行微调以提高检测精度[32]。此外，耦合谐振器增强场约束并实现多参数和差分测量[33]。谐振频率传感器受限于低场约束和辐射损耗。基于插损的传感器需要精确校准，灵敏度较低，且易受微小环境扰动影响。基于Q的传感器对损耗角正切值灵敏度不佳，且易受环境扰动影响。这些传感器的局限性可以通过使用基于基板集成波导（SIW）的传感器来减轻。

SIW是一种集成到基板中的平面波导。其优点包括体积小、成本低、易于与其他电子元件接口[34]、[35]。SIW凭借其高集成密度与有源和无源组件的能力，以及在微波频段工作能力以检测样品介电特性变化，是多种生物传感应用的经济选择，非常适合生物传感[36]、[37]。最近的调查显示，SIW传感器在实时生化检测方面显示出前景。例如，开发了一种圆形SIW传感器，以极高的灵敏度和选择性检测葡萄糖[38]、[39]。使用RF传感器进行生物医学应用的另一个重要问题是，由于生物样品中分析物浓度较低，对不同生物分析物（如单细胞[40]、葡萄糖[41]、蔗糖[42]、[43]、应激生物标志物皮质醇[44]、甘油[45]等）的存在灵敏度有限。RF感知的另一个主要问题是生物特异性，这使得难以确定介电特性的变化是否由待测分析物（AUT）引起。这些非受体基传感器提供了一种简单且低成本的方法，使用微波技术检测多组分溶液。然而，这些方法在灵敏度和选择性方面面临挑战，主要是在复杂的生物环境中，区分特定分子至关重要[46]。为了解决这些局限性，通过受体集成实现靶向结合，提高传感器的选择性，这在处理复杂生物基质时至关重要。这种方法为需要高特异性和灵敏度的临床葡萄糖监测提供了更可靠的传感机制。最近的研究使用纳米材料如碳纳米管（CNT）[47]作为受体、生物分子-酶相互作用[48]采用抗原-抗体结合系统[49]、二氧化钛层用于紫外检测[50]、水凝胶[51]等，在多种生物医学应用中实现RF传感器的生物特异性。受体的使用提高了传感器对分析物检测的灵敏度和特异性。酶（如GOx）是生物特异分子，使用电化学方法检测葡萄糖水平。本研究建议使用基于SIW谐振腔的High-Q RF生物传感器来检测10 mg/dL至200 mg/dL范围内的葡萄糖浓度。通过计算葡萄糖浓度的介电常数来测量传感器响应。对不同设计特性进行了详细的优化研究。该结构在1.6 mm Rogers基底上使用0.035 mm铜层制造。本设计与现有研究的区别在于：(i) 三孔感测腔增强了E场约束，优于单孔腔；(ii) 增强的E场与样品重叠导致每单位葡萄糖变化产生更大的有效介电常数扰动；(iii) GOx-葡萄糖相互作用在理论中引起局部离子组成和束缚水结构的变化，从而改变受限场区域内的复介电常数。

**SIW传感器设计**

材料测试已采用传统金属波导基腔谐振器，因其具有高品质因子；然而，这些金属结构笨重、体积大，且与其他平面结构的互操作性有限。研究人员提出了SIW结构以克服这些局限性，同时利用传统波导原理的优势[52]。传统波导的优势（如高品质因子和低损耗）与平面结构

**结果**

采用光刻技术制造了所提出的SIW传感器结构。如图5所示，制造过程包括基板准备、通孔钻孔、金属层沉积、光刻胶涂覆以及选择性材料去除以定义SIW腔。制造的样品使用矢量网络分析仪（VNA）进行表征，测量S参数，揭示了传感器的谐振频率和阻抗匹配特性。

**结论与未来展望**

本工作成功展示了基于基板集成波导（SIW）的RF生物传感器的设计、仿真和制造，用于葡萄糖检测，具有改善的灵敏度和品质因子。通过引入模拟的葡萄糖氧化酶（GOx）介电层作为生物识别组件，所提出的传感器实现了计算验证的葡萄糖传感响应，其SIW谐振特性经过实验验证，平均灵敏度约为≈

**作者贡献声明**

Ajay Suri：撰写-原稿。Lokendra Singh：方法论、调查、形式分析、概念化。Prakash Pareek：撰写-审阅与编辑、撰写-原稿。Abhishek Kumar：撰写-审阅与编辑、概念化。Rohit Vikram Singh Bhadauria：可视化、软件。Mayank Anand：软件、数据整理。

**伦理审批**

本研究不需要伦理审批。

**资金支持**

作者未从任何组织获得对所提交工作的支持。

**利益冲突声明**

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本报告中所述工作的情况。

**作者简介**

Mayank Anand获得电子与通信工程理学学士学位，目前正在准备工程能力倾向考试（GATE）。他曾在印度德拉敦国防研究与发展组织（DRDO）完成实习，获得了微波和RF技术的实践经验。他的技术兴趣包括微波工程、电磁分析和RF器件设计。他在CST Studio Suite方面具有良好的专业技能，并拥有

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