在所有慢性疾病中，糖尿病是第八大死亡原因，而在美国，超过3700万人患有糖尿病。主要的控制策略包括监测血糖水平。不幸的是，传统的血糖监测方法通常需要血液采样操作。采血是痛苦的，会给患者带来精神痛苦和感染风险，特别是对于那些需要每天多次检测血糖水平的患者，对儿童和老年人尤其不方便。因此，研究能够实现无创血糖水平监测的方法是一个重要的课题，并且需求量很大。
据麦姆斯咨询报道，近日，波兰克拉科夫AGH科技大学（AGH University of Krakow）的研究人员提出了一种用于生物医学领域的玻璃上油墨微波传感器的实现方案。利用气溶胶喷射打印（AJP）技术实现了一种紧凑的单层共面波导传感器，该传感器具有弧形叉指状结构，可以容纳一滴被测物质（Material-Under-Test，MUT）。这种几何形状即便对于被测物质电特性非常微小的偏差也能提供高灵敏度。研究人员展示了其在检测唾液中微量葡萄糖方面的应用。相关研究成果以“Additively manufactured microwave sensor for glucose level detection in saliva”为题发表在Scientific Reports期刊上。
该传感器预计可用于检测每100毫升低于2毫克的葡萄糖，因此需要特别注意开发一种几何结构，使其在面对唾液-葡萄糖混合物复介电常数的微小变化时，能呈现出尽可能高的频率响应变化。选择单层共面（CPW）波导技术来实现该传感器，因为这种构造能够将被测液体物质直接倾倒在传感元件上，实现了低成本制造以及与其它电子器件集成的巨大可能性。
基于CPW技术设计的传感器示意图，上面覆盖着液体样品
在实验中，利用带有超声波雾化器的气溶胶喷射打印机制造了一组所开发的传感器单元。UT Dots公司的Ag25Te银墨水具有适用于高频应用的特性，用于在玻璃基底上制备导电图案。所开发的传感器在k波段工作，这是制造分辨率和最小尺寸之间的一种权衡，使得敏感部分仅占1.23 × 0.98 mm²。通过这种方式，该传感器有可能与玻璃上半导体有源读出电子器件轻松集成，使其非常适合用于高性价比的“片上实验室”解决方案。
该传感器的几何结构经过设计，旨在通过一种串联的弧形线状叉指电容器几何结构来最大限度地提高对覆盖传感区域的液滴状被测物质的灵敏度，这种结构能将大部分电场限制在被测样品内。此外，由于基板和金属的润湿性存在差异，液滴会自行对准传感部分，并由金属环固定住，从而最大限度地减少液体溢出到可能放置潜在无源和有源电子器件的地方。
制造的传感器单元的照片
通过制备和表征一组具有不同葡萄糖浓度的混合物，对所开发的传感器的灵敏度及其在检测唾液中低浓度葡萄糖方面的应用进行了实验研究。该研究是针对人工唾液进行的，大约需要0.5 µL液滴，其中混合物含量的变化与传感器在占据状态与未占据状态的较宽频率范围内的传输系数的相对变化成比例。获得的结果表明，在20-30 GHz的频率范围内，可以很容易地检测出每100 ml唾液中10 mg葡萄糖，在20-26 GHz的频率范围内可观察到单调变化，这表明该传感器适用于检测唾液中的葡萄糖水平，并可能应用于检测液体中的少量其它物质。
总而言之，研究人员提出了一种通过检测唾液中葡萄糖浓度来实现无创血糖水平检测的新方法，开发了一种基于微米级叉指电容器的针对特定应用的高灵敏度微波生物传感器，该叉指电容器处于传输模式，通过采用玻璃基3D打印金属技术的单层共面传输线技术来实现。该研究设计、制造并实验测试了K波段演示器。利用气溶胶喷射打印技术和一种经超声波雾化的银纳米粒子墨水，获得了金属图案所需的特征尺寸。所制造的传感器被用于检测合成唾液中的葡萄糖水平。所获得的结果证明，该传感器对于葡萄糖检测的高灵敏度低至每100 ml唾液10 mg葡萄糖，从而证明了其未来在唾液葡萄糖检测系统中的有效性。
论文信息：
https://www.nature.com/articles/s41598-024-79867-1
