关于体内葡萄糖传感，光学传感器因其具有非侵入性和连续监测的潜力而备受青睐。葡萄糖传感方法主要包括荧光法、拉曼光谱法、近红外（NIR）光谱法、中红外（MIR）光谱法和远红外（FIR）光谱法。从另一方面来看，相较于红外光和可见光，太赫兹（THz）波的散射更低，估计其散射系数可降至1 cm⁻¹，并且具有显著的葡萄糖吸收峰，从而使得葡萄糖检测更便利、信噪比更高。此外，太赫兹波能够深入人体组织深达300 μm，可能到达含有血液和葡萄糖的真皮层，与之相较，中红外波段的穿透深度仅为100 μm，这相当于到达缺乏血液分布的表皮层。然而，太赫兹传感器在实现微型化和成本效益方面仍面临诸多挑战，而片上太赫兹传感器则为解决这些问题的可行途径，这些问题也是以下这项研究重点关注的内容。
据麦姆斯咨询报道，近日，加拿大维多利亚大学（University of Victoria）的研究团队提出了一种基于1 μm氮化硅薄膜上共面带状线（CPS）的片上无水D-葡萄糖传感器，可在太赫兹（THz）波段下实现高效传感。研究人员将10 μm的D-葡萄糖薄层置于CPS附近，并使用经过改进的太赫兹时域光谱（THz-TDS）装置测量其传输响应。D-葡萄糖对CPS的有效介电常数产生频率相关变化，进而改变了接收器的光谱响应。测量结果表明，1.42 THz和2.07 THz处的吸收特征分别对应于D-葡萄糖在超过1 THz的前两个显著谐振，能够实现无标记检测。该研究利用改进的洛伦兹模型模拟估算了不同厚度D-葡萄糖层的频率依赖性衰减系数。这项研究的测量结果与模拟结果以及使用自由空间太赫兹辐射的其它文献的研究结果一致。这项研究验证了D-葡萄糖的片上太赫兹传感能力，并为其它材料的片上太赫兹波段传感提供了新路径。这项研究成果以“On chip glucose sensing using guided waves at terahertz frequencies”为题发表在Scientific Reports期刊上。
这项研究探索了一种独特的片上葡萄糖传感方法，通过薄氮化硅（Si₃N₄）衬底上的CPS导波，提供了一个能够突破标准太赫兹波导系统传感应用局限性的平台。CPS通常与光电导开关协同运用，原因在于它们与双终端器件兼容，能够通过使用滑动接触法实现激励和检测。此外，薄膜上的CPS还能促使电磁场与薄膜下方材料（例如葡萄糖）产生相互作用（如图1）。
图1 Si₃N₄薄膜上通过CPS波导进行葡萄糖传感的示意图
该传感器基于附近材料（即葡萄糖）的频率相关介电损耗原理工作。图2显示了该传感器几何形状的横截面，即悬浮式Si₃N₄薄膜上的CPS传输线，该薄膜厚度为H₁ = 1 μm，与厚度为H₂ = 10 μm的葡萄糖薄层相接触。CPS传感器结构通过在500 μm硅衬底上沉积1 μm的Si₃N₄层制备而成。研究人员在图2所示的CPS模型中融合了葡萄糖的频率相关介电常数模型。研究目标是在0.5到2.5 THz波段内获得不同厚度葡萄糖层对应的CPS衰减系数。
图2 CPS传感器截面
接着，研究人员使用介电常数模型与谐振关系式，针对几种不同的葡萄糖厚度，模拟了图3a中带有葡萄糖层的CPS的衰减系数。图3b展示了模拟结果，并与不含葡萄糖的参照物进行了比较，参照物在1.4 THz时的衰减约为0.6 dB/mm。
图3 （a）葡萄糖层薄膜上的CPS；（b）利用改进洛伦兹模型模拟传感器薄膜下不同厚度葡萄糖层的CPS衰减。
图4展示了空载（无葡萄糖）和载样（含约10 μm葡萄糖层）传感器的测量结果。需要注意的是，实验结果中的频谱幅度随频率增加而衰减，这是使用有限持续时间太赫兹脉冲（而非具有平坦光谱响应的理想太赫兹脉冲）作为输入信号的预期结果。考量传感器的实际问题非常重要。接收光谱的宽带特性具备诸多益处，能够显著降低误报率和漏报率。图5展示了传感器薄膜背面有葡萄糖和无葡萄糖的传感器的显微图像和特写照片。
图4 基于CPS的葡萄糖传感器的测量结果
图5 传感器和薄膜的显微图像及照片
综上所述，这项研究展示了一种在Si₃N₄薄膜上利用太赫兹波段的导波实现的片上葡萄糖传感器。该传感器基于太赫兹波段电磁波与邻近传输线的葡萄糖薄层之间的相互作用构建，从而在接收光谱中产生频率相关的陷波特性。这项实验揭示了1.42 THz和2.07 THz的谐振，这与已有研究的发现相契合。该方法凭借其导波特性和片上微流控集成的潜力而脱颖而出。这项研究开辟了在食品工业和医疗保健等应用领域实现片上无标记葡萄糖和其它材料传感的新途径。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41598-024-81731-1
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