DOI: 10.17586/2226-1494-2018-18-3-377-383


УДК537.86

БИОСЕНСОР НА ОСНОВЕ МЕТАПЛЕНКИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГЛЮКОЗЫ В КРОВИ ЧЕЛОВЕКА

Соболева В. Ю., Гусев С. И., Ходзицкий М. К.


Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования: Соболева В.Ю., Гусев С.И., Ходзицкий М.К. Биосенсор на основе метапленки для определения концентрации глюкозы в крови человека // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2018. Т. 18. № 3. С. 337–383. doi: 10.17586/2226-1494-2018-18-3-377-383

Аннотация
 Предмет исследования.Изучена возможность использования метапленки в качестве биосенсора для определения концентрации глюкозы в крови человека. Метод. Использована метапленка – полосовой фильтр на основе крестообразных резонаторов для терагерцового диапазона частот, на спектр пропускания которого сильно влияет изменение свойств окружающей среды, в том числе изменение показателя преломления. Изменение концентрации глюкозы в крови влечет за собой изменение оптических свойств крови, поэтому, если фильтр находится в контакте с кровью, она смещает спектр пропускания фильтра в сторону меньших частот, причем величина этого смещения зависит от содержания сахара. Основываясь на более ранних исследованиях зависимости диэлектрической проницаемости крови от концентрации глюкозы, выбраны три частоты, на которых проводилось более детальное изучение. Все спектры пропускания были получены в результате численных экспериментов в среде COMSOL Multiphysics. Основные результаты. Разработан общий алгоритм подбора геометрических параметров фильтра на основе крестообразных резонаторов для заданных резонансной частоты и добротности. С помощью этого алгоритма рассчитаны три биосенсора, с различными спектральными характеристиками, с целью выявления лучших свойств фильтра для биосенсорных применений. Доказана возможность использования биосенсора на основе метапленки для определения концентрации глюкозы в крови, причем фильтр с большей резонансной частотой (0,5 ТГц) обладает большей чувствительностью – от 2,0 ммоль/л до 0,5 ммоль/л в диапазоне 3,0–19,0 ммоль/л. Практическая значимость. Данный метод позволит в дальнейшем перейти от инвазивного измерения концентрации глюкозы в крови к неинвазивному, поскольку изменение химического состава крови может изменять показатель преломления кожи. В свою очередь, биосенсоры данного типа обладают высокой чувствительностью к изменению оптических свойств материала.

Ключевые слова: биосенсор, полосовой фильтр, метапленка, крестообразные резонаторы, терагерцовый диапазон частот, глюкоза

Список литературы
 
  1. Vashist S.K. Non-invasive glucose monitoring technology in diabetes management: a review // Analytica Chimica Acta. 2012. V. 750. P. 16–27. doi: 10.1016/j.aca.2012.03.043
  2. Eadie M., Steele R.J. Non-invasive blood glucose monitoring and data analytics // Proc. ACM Int. Conf. on Compute and Data Analysis. Lakeland, USA, 2017. P. 138–142. doi: 10.1145/3093241.3093283
  3. Potts R.O., Tamada J.A., Tierney M.J. Glucose monitoring by reverse iontophoresis // Diabetes/Metabolism Research and Reviews. 2002. V. 18. P. S49–S53. doi: 10.1002/dmrr.210
  4. Yadav J., Rani A., Singh V., Burari B.M. Prospects and limitations of non-invasive blood glucose monitoring using near-infrared spectroscopy // Biomedical Signal Processing and Control. 2015. V. 18. P. 214–227. doi: 10.1016/j.bspc.2015.01.005
  5. Pandey R., Paidi S.K., Valdez T.A., Zhang C. et al. Noninvasive monitoring of blood glucose with raman spectroscopy // Accounts of Chemical Research. 2017. V. 50. N 2. P. 264–272. doi: 10.1021/acs.accounts.6b00472
  6. Tuchin V.V. Tissue Optics: Light Scattering Methods and Instruments for Medical Diagnosis. 3rd ed. SPIE PRESS, 2007.882 p.
  7. Xu W., Xie L., Ying Y. Mechanisms and applications of terahertz metamaterial sensing: a review // Nanoscale. 2017. V. 9. N 37. P. 13864–13878. doi: 10.1039/C7NR03824K
  8. O’Hara J.F., Singh R., Brener I. et al. Thin-film sensing with planar terahertz metamaterials: sensitivity and limitations // Optics Express. 2008. V. 16. N 3. P. 1786–1795. doi: 10.1364/OE.16.001786
  9. COMSOLMultiphysics[Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.comsol.com, своб. Яз. англ. (дата обращения 19.04.18).
  10. Melo A.M., Gobbi A.L., Piazzetta M.H.O., da Silva A.M.P.A. Cross-shaped terahertz metal mesh filters: historical review and results // Advances in Optical Technologies. 2012. Art. 530512. doi: 10.1364/OE.16.001786
  11. Ferraro A., Zografopoulos D.C., Caputo R., Beccherelli R. Broad-and narrow-line terahertz filtering in frequency-selective surfaces patterned on thin low-loss polymer substrates // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2017. V. 23. N 4. P. 1–8. doi: 10.1109/JSTQE.2017.2665641
  12. Gusev S.I., Simonova A.A., Demchenko P.S., Khodzitsky M.K., Cherkasova O.P. Blood glucose concentration sensing using biological molecules relaxation times determination // Proc. IEEE Int. Symposium on Medical Measurements and Applications. Rochester, USA, 2017. P. 458–463.
  13. Kuranov R.V., Sapozhnikova V.V., Prough D.S., Cicenaite I., Esenaliev R.O. In vivo study of glucose-induced changes in skin properties assessed with optical coherence tomography // Physics in Medicine and Biology. 2006. V. 51. N 16.
    P. 3885–3900. doi:10.1088/0031-9155/51/16/001
  14. Черкасова О.П., Назаров М.М., Берловская Е.Е., Ангулуц А.А., Макуренков А.М., Шкуринов А.П. Исследование оптических свойств кожи человека и животных методом импульсной терагерцовой спектроскопии // Известия РАН. Серия физическая. 2016. Т. 80. № 4. С. 526–530. doi: 10.7868/S0367676516040062


Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Информация 2001-2018 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика