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마이크로파 근접장 현미경을 이용한 Non-invasive 글루코스 측정 및 응용

Non-invasive Glucose Biosensing with a Near-field Microwave and Its Applications

초록/요약

마이크로파 근접장 현미경(Near-field Scanning Microwave Microscope: NSMM)을 이용하여 글루코스 및 NaCl 용액의 농도를 측정 하였다. 높은 Q의 유전체 공진기를 사용함으로써 NaCl 농도 변화로부터 발생하는 작은 유전율 변화를 측정할 수 있다. 용액내 NaCl 농도는 일정하게 유지 글루코스의 농도 변화를 주었을때, 마이크로파 반사계수 S11 는 글루코스 농도에 반응 하는 것을 확인하였다. 그러므로 글루코스를 기준으로 혼합용액에서도 NaCl 농도변화에 따라 특성 검출이 가능함을 보였다. 탐침이 연결된 도파관 유전체 센서를 이용하여 용액 안의 글루코스와 함께 전자기장의 상호 작용을 연구하였다. 용액의 농도가 0-300 mg/ml 의 범위의 마이크로파 반사계수 변화 측정에 의해 대략 2-2.3 GHz에서 주파수를 관측 하였고 최소 한계 감도를 보였다. 도파관 구조의 유전체 센서는 글루코스 용액 사이에 전자기 상호 반응에 의해 마이크로파 반사계수와 글루코스 농도가 변화를 가져왔다. 이론적 원리는 Near-field 이론이 정립되어 있지 않아 Far-field 개념의 평면파 해석 모델(plane-wave–solution)을 이용하여 설명하였다. 전자기 상호 반응 현상에 의한 용액 안의 D-글루코스의 농도와 돼지 혈액 내의 글루코스 측정을 위해 전자기 공진 spiral 센서를 개발 하였다. 선택 주파수는 대략 7.65 GHz (용액 안의 글루코스) – 7.7GHz (돼지 혈액 샘플)의 범위에서 100-600 mg/dl 의 농도 안에 최소 감도 한계가 5mg/dl 를 보였다. 공진기와 글루코스 용액 사이에 전자기 상호 반응에 의해 마이크로파 반사계수와 글루코스 농도가 변화를 가져왔다. 신호레벨에서 탐지할 수 있었고 signal-to-nose-ratio (SNR)는 대략 34 dB로 였다. spiral 센서는 무채혈 측정 시스템으로 가능함을 보여주었다. cavity 형태의 센서는 섭동이론의 기초인 주파수 공진변화로 돼지혈액 안에 글루코스를 실시간으로 측정하는 전자기 마이크로 웨이브 센서 기술이다. 선택 공진 4.75 GHz와 300 MHz의 범위를 가지고 돼지 혈액 안의 농도가 150-550 mg/dl 인 D-글루코스를 측정하였다. cavity 공진기와 중심 내부에 플라스틱 튜브 안에 혈액이 가득차 있는 용액과 전자기 반응하고 혈액의 D-글루코스 농도 변화에 의해 11.25 MHz의 공진 주파수가 변하고 반사계수 S11 이 대략 6.25 dB 변화하였다. 마이크로파 cavity 센서를 이용 실시간으로 모니터링 할 수 있는 장치를 개발하였고 임상실험을 통해 연속적으로 무채혈 측정할 수 있는 시스템을 제작하여 측정하였다.

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초록/요약

I studied to measure glucose and NaCl concentrations in various solutions using a near-field Scanning microwave Microscope (NSMM). Instead of conventional chemical techniques, we take the advantage of the noncontact evaluation capabilities of a NFMM. A NFMM with a high Q dielectric resonator allows to detect small variations of the permittivity according to changes in NaCl concentration. By measuring the reflection coefficient S11, I measure the concentration of NaCl. The measured signal-to-noise was about 53 dB and the minimum detectible signal was about 0.005 dB/(mg/ml). In order to determine the probe selectivity, I measured mixture solutions containing various concentration of NaCl and glucose. I investigate the electromagnetic filed interaction with a glucose aqueous solution using a microwave dielectric waveguide probe to evaluate the glucose concentrations. A microwave dielectric waveguide probe allows observation of the small variation of the glucose concentration changes of the ranges of 0-300 mg/ml by measuring the change of the microwave reflection coefficient. I measured the concentration of glucose with a detectable resolution up to 1 mg/ml at an operating frequency of about f = 2.-2.3 GHz. The change of the glucose concentration is directly related to the change of the reflection coefficient due to the electromagnetic interaction between the dielectric waveguide resonator and the glucose aqueous solution. The operational principal is explained by plane-wave solution model. A glucose biosensor using a microwave dielectric waveguide probe provides a unique approach for glucose monitoring. I have developed an electromagnetic resonant spiral sensor and have measured the glycemia in pig blood and the concentration of D-glucose in aqueous solution by using a real-time electromagnetic interaction phenomenon between microwave sensor and liquid. I determined the concentration of glucose with a minimal resolution of 5 mg/dl in 100 - 600 mg/dl concentration range at operating frequency range of 7 - 8 GHz. The change in the glucose concentration brings the microwave reflection coefficient changes due to the electromagnetic interaction between the resonator and the glucose solution. The measured signal-to-noise ratio is about 34 dB, and the minimum detectible signal level is about 0.022 dB/(mg/dl). Proposed system provides a unique approach for non-invasive and non-contact glucose monitoring, and it may serve as a bloodless glucometer. I have developed an electromagnetic microwave cavity sensor and in real time measured the glycemia in pig blood and human bodies based on the cavity resonance shift and perturbation theory. I determine the concentration of D-glucose in pig blood in the range of 150 - 550 mg/dl at the resonance frequency near 4.75 GHz with a bandwidth of 300 MHz. The change in the D-glucose concentration in blood brings microwave reflection coefficient S11 changes of about 6.26 dB and resonance frequency shifts of about 11.25 MHz due to the electromagnetic interaction between the cavity resonator and the blood filled plastic tube inserted into the cavity. I also determine the concentration of glucose in human bodies continuously using a home-made glucose monitoring device. This proposed system provides a unique approach for real time noninvasive and contactless glucose monitoring.

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