I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m pu t er   E ng ineering   ( I J E CE )   Vo l.   15 ,   No .   4 A u g u s t   20 25 ,   p p .   3 6 8 3 ~ 3 6 9 5   I SS N:  2088 - 8 7 0 8 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijece. v 15 i 4 . pp 3 6 8 3 - 3 6 9 5           3683       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij ec e. ia esco r e. co m   Lo w - co st porta bl e poten tios tat f o r   real - time  insulin  co ncentration   esti ma tion ba sed o elect ro chem ica l s enso rs       F it ria   Yuni t a   Dew i 1 ,   H a rr y   K us um a   Aliwa rg a 2 ,   Dj a t H a nd o k o 1   1 D e p a r t me n t   o f   P h y si c s,  F a c u l t y   o f   M a t h e m a t i c a n d   N a t u r a l   S c i e n c e s ,   U n i v e r si t a s   I n d o n e si a ,   D e p o k ,   I n d o n e si a   2 U M G   I d e a L a b ,   J a k a r t a ,   I n d o n e si a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u n   1 1 ,   2 0 2 4   R ev is ed   Ma r   1 9 ,   2 0 2 5   Acc ep ted   Ma y   2 3 ,   2 0 2 5       Ad m in isterin g   i n c o rre c i n su l in   d o sa g e t o   d iab e ti c   p a ti e n ts   c a n   b e   fa tal,   lea d in g   to   se v e re   h e a lt h   c o n se q u e n c e s.  In su li n   d e tec ti o n ,   in   c o n ju n c ti o n   with   b lo o d   g lu c o se   m o n it o ri n g ,   c a n   sig n ifi c a n t ly   e n h a n c e   d iag n o stic   a c c u ra c y .   El e c tro c h e m ica m e th o d fo in s u li n   d e tec ti o n   o ffe a   lo w - c o st  a n d   p o r tab le   so lu ti o n .   Th is  stu d y   p re se n ts  a n   in s u li n   c o n c e n t ra ti o n   e stim a ti o n   s y ste m   u sin g   a   c u sto m ize d   e lec tro c h e m ica p o te n ti o sta t   o p e ra ti n g   in   re a l - ti m e   v i a   Blu e to o th   l o e n e rg y   (BLE ).   Co n v e n t io n a e lec tro c h e m ica se n si n g ,   w h ic h   re li e o n   c a li b ra ti o n   c u rv e t o   d e term in e   c o n c e n tratio n ,   p o se a c c u ra c y   li m it a ti o n s   in   p o rtab le  d e v ice s.  To   a d d re ss   th is,   we   imp lem e n a   m u lt ip le - p re d icto r   a p p r o a c h   t h a in c o rp o r a tes   p e a k   c u rre n ts  fro m   m u lt i p le  c y c les   o f   c y c li c   v o lt a m m e try   re sp o n se a n d   th e   e lec tro a c ti v e   su rfa c e   a re a   o a   m u lt i - wa ll e d   c a rb o n   n a n o tu b e   (M WCN T - COO H)  m o d ifi e d   sc re e n - p ri n te d   se n so r .   Th is  m o d ifi e d   se n so e n h a n c e s e n siti v it y   c o m p a re d   to   b a re   sc re e n - p rin te d   c a rb o n   se n so rs,   m a k in g   it   s u it a b l e   fo lo w - v o l u m e   a n d   p o rtab le  a p p li c a ti o n s.   Th ro u g h   c ro ss - v a li d a ti o n ,   o u m e th o d   d e m o n stra ted   stro n g   p e rfo rm a n c e ,   a c h iev in g   a   d e term in a ti o n   c o e fficie n (R² g re a ter  th a n   0 . 9 0   f o a ll   train i n g   d a tas e c o m b in a ti o n a n d   g re a ter  th a n   0 . 8 5   fo a ll   tes ti n g   d a tas e t   c o m b in a ti o n s.  Hy p o t h e sis  tes ti n g   f u rth e c o n firme d   th e   sta ti stica sig n ifi c a n c e   o t h e   e lec tro a c ti v e   su rfa c e   a re a   (p = 0 . 0 0 6 a s   p r e d icto r ,   in d ica ti n g   i ts  m e a n in g f u c o n tri b u ti o n   to   c o n c e n trati o n   e stim a ti o n .   Th is   a p p ro a c h   im p ro v e p o rta b le  d e tec ti o n   p e rfo rm a n c e ,   su p p o r ti n g   th e   d e v e lo p m e n o f   a ffo rd a b le an d   re l iab le p e rso n a in s u li n   m o n i to ri n g   sy ste m s.    K ey w o r d s :   C y clic  v o ltam m etr y   E lectr o ac tiv s u r f ac ar ea   I n s u lin   d etec tio n   Mu ltip le  p r ed icto r s   Po r tab le  p o ten tio s tat   R ea l - tim d etec tio n   T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Djati  Han d o k o   Dep ar tm en t o f   Ph y s ics,  Facu lty   o f   Ma th e m atics a n d   Natu r al  Scien ce s ,   Un iv er s itas   I n d o n esia   Dep o k ,   I n d o n esia   E m ail:  d jati.h an d o k o @ u i.a c. id       1.   I NT RO D UCT I O   I n s u lin   r eg u lates  b lo o d   g lu co s lev els  in   th b o d y .   T h is   h o r m o n is   p o ly p e p tid s ec r eted   b y   th p an cr ea s   an d   c o n s is ts   o f   2 1   a m in o   ac id s   in   th ch ain   a n d   3 0   am in o   ac i d s   in   th B   ch ain   [ 1 ] .   Dy s f u n ctio n   o f   th is   h o r m o n s ec r etio n   ca n   ca u s d iab etes  wh ich   is   o n o f   t h m o s co m m o n   n o n co m m u n icab le  d is ea s es  [ 2 ] Acc o r d i n g   to   t h I n ter n atio n a Diab etes  Fed er atio n   ( I DF) ,   an   esti m ated   5 3 7   m illi o n   p eo p le  ar af f ec ted   b y   d iab etes,  wh ich   is   p r o jecte d   t o   r ea ch   6 4 3   m illi o n   b y   2 0 3 0   an d   7 8 3   m illi o n   b y   2 0 4 5   [ 3 ] .   Diab etes  cu r r e n tr ea tm en in v o lv es  in s u lin   d o s in g   [ 4 ] ,   a n d   p r o p er   ad ju s tm en ts   ca n   p r ev en t h r is k s   o f   h y p o g ly ce m ia  an d   h y p er g ly ce m ia - r elate d   co m p li ca tio n s   [ 5 ] .   B lo o d   g lu c o s lev els  ca n   h elp   esti m ate  th am o u n o f   in s u li n   r eq u ir ed ,   b u b ec au s ex er cis an d   d iet  ca n   af f ec b lo o d   g lu co s lev els,  m o r ac cu r ate  d iag n o s is   ca n   b ac h iev ed   with   th a d d itio n   o f   i n s u lin   d etec tio n   [ 6 ] [ 7 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   4 Au g u s t   20 25 :   3 6 8 3 - 3695   3684   An aly tical  m eth o d s   f o r   in s u li n   d etec tio n   ca n   b d e v elo p ed   u s in g   im m u n o ass ay s ,   ch r o m ato g r ap h y ,   an d   o p tical  tech n iq u es.  T h ese  m eth o d s   ar e   v er y   tim e - co n s u m in g ,   s lo w,   a n d   h i g h - c o s t,  an d   r e q u ir t h e   m o d if icatio n   o f   in s u lin   m o lec u les  with   is o to p ic  o r   f lu o r o g e n ic  lab els  [ 8 ] .   T h er e f o r e,   elec t r o ch em ical  m eth o d s   co m m o n l y   ass o ciate d   with   in e x p en s iv an d   s m all  in s tr u m e n ts ,   f ast  r esp o n s es,  an d   s im p le  p r ep ar atio n   [ 4 ]   ar e   m o r s u itab le   f o r   p o in t - of - ca r test in g   ( POC T ) .   T h elec tr o ch em ical  ap p r o ac h   ca n   b u til ized   b ec a u s in s u lin   co n tain s   am in o   ac id s ,   s u c h   as  t y r o s in e,   tr y p to p h a n ,   an d   cy s ti n e,   wh ich   ar e   elec tr o ac tiv s p ec ies  [ 7 ] .   Sev er al  elec tr o ch em ical  tech n iq u es  ca n   b em p lo y ed   f o r   in s u lin   d etec tio n .   Fo r   ex am p le,   cy clic   v o ltam m etr y   ( C V)   tech n iq u e   wh er e   th v o ltag e   ap p lied   t o   th e   elec tr o d es  is   lin e ar ly   in cr ea s ed   an d   t h en   d ec r ea s ed   b ac k   to   th in itial  v o ltag e.   T h e   cu r r en r es p o n s f r o m   C co n tain s   in f o r m atio n   ab o u t   o x id atio n /r e d u ctio n   r ea ctio n s   o cc u r r i n g   in   th an al y te.   I n   s ev er al  s tu d ies,  it  h as  b ee n   o b s er v e d   th at  a n   in cr ea s in   C p ea k   cu r r en i s   r elate d   to   in s u lin   co n ce n tr at io n   v ar iatio n s   [ 1 ] ,   [ 8 ] [ 1 0 ] .   T h f itti n g   b etwe en   th ese  p ea k s   an d   co n ce n tr atio n   f o r m s   ca lib r atio n   cu r v e,   with   th s lo p in d icatin g   th s en s itiv ity   o f   th m ea s u r em en t.  Dete r m in in g   co n ce n tr atio n   th r o u g h   ca l ib r atio n   cu r v is   s im p le  an d   s tr aig h tf o r war d .   Ho wev er ,   th is   ca lib r atio n   cu r v is   s p ec if ic  to   p ar ticu lar   s en s o r   an d   ca n n o b ap p lied   t o   o th er   s en s o r s   with   d if f er en t sen s itiv ities .   E v en   th s am s en s o r   ca n   p r o d u ce   d if f er en t c alib r atio n   s lo p es d u t o   th d eg r ad atio n   o f   th s en s o r ' s   p er f o r m a n ce   o v e r   tim an d   with   r ep ea ted   cy cles.  T h er ef o r e,   in   th is   s tu d y ,   th c o n ce n tr atio n   esti m atio n   s y s tem   i s   im p r o v e d   u s in g   m u ltip le  p r ed icto r s   ap p r o ac h .   W h ile  th ca lib r atio n   cu r v m et h o d   r elies  o n   s in g le   p r ed icto r ,   s p ec if ically   th p ea k   c u r r e n t,  th p r o p o s ed   m eth o d   i n co r p o r ates  m u ltip le  p r ed icto r s ,   in v o lv in g   th s en s o r ' s   p er f o r m an ce   in f o r m ati o n ,   to   im p r o v t h ac cu r ac y   o f   co n ce n tr atio n   esti m atio n .   An   in s tr u m en u s ed   to   p er f o r m   elec tr o c h em ical  tech n i q u es  is   co m m o n ly   ca lled   p o ten tio s tat.   C o m m er cially   av ailab le  p o ten tio s tat s   ( b en ch to p   in s tr u m en ts )   p r o v i d h ig h   r eso lu tio n   an d   ca n   m ea s u r lo w   cu r r en ts   with   h ig h   p r ec is io n   a n d   m in im al  n o is e.   Ho wev e r ,   t h ese  p o ten tio s tats   ar ex p en s iv e,   lar g e,   h ea v y ,   an d   u n s u itab le  f o r   POC T   ap p licat io n s   [ 1 1 ] [ 1 2 ] .   Alth o u g h   p o wer f u f o r   wid r an g o f   ap p licatio n s ,   b en ch to p   p o ten tio s tats   ar less   s u ita b le  in   r eso u r ce - lim ited   c o n d itio n s ,   th u s   u s in g   cu s to m ized ,   lo w - co s t,  an d   wir eless   p o ten tio s tats   is   m o r n ec ess ar y .   T h d ev elo p m en o f   lo w - c o s t,  p o r tab le  p o ten tio s tats   h as  s u r g ed   r ec e n tly ,   p ar ticu la r ly   o p en - s o u r ce   d esig n s   [ 1 2 ] [ 1 6 ] ,   w h ich   f ac il itate  ea s y   r ep licatio n   an d   allo th r esear ch er s   to   m o d i f y   f o r   s p ec if ic  an al y s is   tech n iq u es  an d   tar g et  a n aly te s   with o u s tar tin g   f r o m   s cr at ch .   B lu eto o th   l o w - en er g y   ( B L E )   s elec ted   as  co n n ec tiv ity   o p tio n ,   is   an   in t er esti n g   ap p r o ac h   th at   allo ws  f o r   p o r tab le  a n d   l o w - p o wer   d ev ices  th at  ca n   b ea s ily   im p lem en ted   in   m o b ile  d ev ices  ( s m ar tp h o n es  an d   tab l ets).   Sev er al  s tu d ies  u s in g   B lu eto o th   an d   m o b ile  d ev ice  u s er   in ter f a ce s   h av e   c h o s en   d if f er en t   ty p es   o f   m icr o co n tr o ller   u n its ,   s u ch   as  b o a r d   E SP 3 2   in   eST AT   [ 1 7 ] ,   Ar d u in o   Nan o   in   Paq ar is tat  [ 1 8 ] ,   B L E   ch ip s et  in   KAU STa [ 1 1 ] R Fd u in o   in   UW E [ 1 2 ] ,   an d   C C 2 5 4 1   in   B lu C h em   [ 1 9 ] .   T h eir   d esig n s   s u cc ee d ed   in   b u ild in g   cu s to m iz ed   p o ten tio s tats   at  af f o r d a b le  p r ices ( <$ 1 0 0 ) .     Mo s lo w - co s an d   p o r tab le   p o ten tio s tats   h av e   b ee n   v alid ated   u s in g   th e   f er r icy a n id e/f e r r o cy a n id r ed o x   co u p le  [  (  ) 6 ] 3 / 4   as  s tan d ar d   s o lu tio n ,   an d   th ei r   p e r f o r m a n ce   h as  b ee n   e v alu ated   th r o u g h   cy clic  v o ltam m etr y   at  v ar io u s   co n ce n tr atio n s   o r   s ca n   r a tes.  Ho wev er ,   v er y   f ew  s tu d ies  h av r ep o r ted   ev alu atio n s   o n   s p ec if ic  an aly t es,  as  m o s t   d ev ices  h av b ee n   d ev elo p ed   f o r   g en er al  elec tr o ch em ical  p u r p o s es  [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 7 ] [ 2 0 ] [ 2 1 ]   wh er th an aly te  r esp o n s es  f all  with in   th d ev ice’ s   cu r r en r e ad in g   r an g e.   I n   th is   s tu d y ,   lo w - co s an d   p o r tab le   p o ten tio s tat  s p ec ialized   f o r   i n s u lin   d etec tio n   was  d esig n ed .   T h esti m atio n   o f   th in s u lin   co n ce n t r atio n   was  th en   im p r o v ed   b y   in c o r p o r atin g   in f o r m atio n   ab o u th elec tr o d s u r f ac a r ea   o f   th elec tr o ch em ical  s en s o r   u s ed .   On a d v an ta g o f   d e v elo p in g   cu s to m ized   p o te n tio s tat  f o r   in s u lin   d etec tio n   alo n g   with   m u lti - p r e d icto r s   ap p r o ac h   is   to   g en er ally   esti m a te  co n ce n tr atio n   with   d if f er en s en s o r s   p er f o r m an ce   i n   r ea l - tim wh ic h   is   n o t   p o s s ib le  with   th u s o f   b e n ch to p   p o ten tio s tat  an d   a   s im p le  ca lib r atio n   cu r v ( s in g le - p r ed icto r   ap p r o a ch ) .       2.   M E T H O   2 . 1 .     Sa m ple pre pa ra t io n   T r is o d iu m   citr ate  ( Na 3 C 6 H 5 O 7 ) ,   m o n o p o tass iu m   p h o s p h ate   ( KH 2 PO 4 ) ,   an d   d ip o tass iu m   p h o s p h ate   ( K 2 HP O 4 )   wer p u r ch ased   f r o m   Me r ck ,   Sin g a p o r e .   1 0 0   m L   p h o s p h ate  b u f f e r ed   s alin ( PB S)  s o lu tio n   ( 0 . 1   M   an d   p 7 )   was  p r ep ar e d   b y   d i s s o lv in g   0 . 3 3 9   g r am s   KH 2 PO an d   2 . 0 2 2   g r am s   K 2 HP O in   d is till ed   wa ter .   PB S   was  ch o s en   as  t h s o lv e n b e ca u s it  m im ics  p h y s io lo g ical   co n d itio n s ,   m ai n tain in g   s ta b le  p H   to   p r ev e n s tr u ctu r al  ch a n g es  in   in s u li n ,   wh ich   is   p H - s en s itiv e.   T h is   en s u r es  co n s is ten cy   i n   elec tr o ch em ical  m ea s u r em en ts   an d   m i n im izes v ar iab ilit y   in   s e n s o r   r esp o n s es.    Po tass iu m   f er r icy an id K 3 [ Fe ( CN ) 6 ] ,   is o p r o p an o l,  s o d iu m   h y d r o x id ( N a OH )   an d   s u lf u r ic  ac id   ( H 2 SO 4 )   wer p u r c h ased   f r o m   Sm ar L ab .   Po tass iu m   f er r ic y an id was  c h o s en   as  a   r ed o x   p r o b e.   T h is   r ed o x   p r o b was  p r e p ar ed   b y   d is s o lv in g   0 . 3 3   g r am s   o f   p o tass iu m   f er r icy an i d in   5 0   m L   PB to   ac h iev f in al  co n ce n tr atio n   o f   2 0   m M.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Lo w - co s t p o r ta b le  p o ten tio s ta t fo r   r ea l - time  in s u lin   co n ce n t r a tio n     ( F itr ia   Yu n ita   Dewi )   3685   Stan d ar d   s to ck   s o lu tio n s   o f   in s u lin   wer p r ep ar ed   b y   d ilu t in g   6 0   in s u lin   u n its   ( I U)   in   2 5   m PB S   s o lu tio n   i.e .   7 . 2 0   µm o l/L  ( 1   µ I U/m L   eq u als  to   6 . 0   p m o l/L  ac co r d in g   to   t h Am er ica n   Di ab etes  Ass o ciatio n   co n v er s io n   [ 2 2 ] ) .   C o n ce n t r atio n   v ar iatio n s   wer e   p r e p ar ed   b y   d ilu tin g   th e   s to ck   t o   s p ec if i ed   co n ce n tr atio n s   i n   PB s o lu tio n .   T h ese  s o lu tio n s   m ay   d eg r ad o v er   tim d u to   a d s o r p tio n   o n to   co n tain e r   s u r f ac es,   p ar ticle   co n tam in atio n   af te r   lo n g   e x p o s u r to   th s u r r o u n d in g   air ,   an d   p o te n tial  o x id atio n .   T h er ef o r e,   test in g   s h o u l d   b co n d u cted   im m ed iately   af ter   s am p le  p r ep a r atio n   an d   with in   th r ee   d ay s   to   en s u r e   r eliab ilit y .   E x ten d e d   s to r ag m ig h t c a u s f in clu m p s   o f   ag g r eg atio n   in   th s am p l e.       2 . 2 .     Appa ra t us   2 . 2 . 1 .   Sens o r   Scr ee n - p r in ted   ca r b o n   elec tr o d es  ( SP C E )   m o d if ied   with   ca r b o x y f u n ctio n alize d   m u ltiwal led   ca r b o n   n an o tu b es  ( MWC NT - C O OH)   p u r ch ased   f r o m   Me tr o h m   Dr o p Sen s   wer u s ed   as  s en s o r s .   T h is   ty p o f   SP C E   ( R ef .   1 1 0 C NT   Dr o p Sen s )   is   th r ee - elec tr o d s y s tem   co n s is tin g   o f   s u r f ac e - m o d if ied   wo r k in g   elec tr o d e,   ca r b o n   c o u n ter   elec tr o d e,   an d   s ilv er   r ef er en ce   elec tr o d e .   C o m p ar ed   with   th b ar ca r b o n   e lectr o d e,   th SP C E   m o d if ied   with   MWC NT   i s   e x p ec ted   to   p r o v id g r ea ter   s en s itiv ity   an d   b r o ad e r   lin ea r   r an g e.   T h is   ca n   b e   ac h iev ed   o win g   to   t h ca p a b ilit y   o f   C NT   to   i n cr ea s th e   s u r f ac ar ea   [ 4 ] ,   d ec r ea s th o v er p o ten tial  o f   in s u li n   [ 7 ] ,   a n d   m in i m ize  s u r f ac f o u lin g   [ 2 3 ] .   T h u s o f   s cr ee n - p r in ted   elec tr o d e   also   tack les  th p r o b lem s   ar is in g   f r o m   co n v en tio n al  elec tr o d es ,   s u ch   as  th n ec ess ity   f o r   a   lar g am o u n o f   a n aly te  f o r   s en s in g   an aly s is ,   d if f icu lty   in   t h clea n in g   p r o c ess   an d   m o d if icatio n   o f   th e   lar g er   elec tr o d e   ar ea   [ 2 4 ] .     2 . 2 . 2 .   B encht o p po t ent io s t a t   E lectr o ch em ical  tech n iq u es  wer co n d u cted   u s in g   a   C o r r test   I n s tr u m en ts   b en ch to p   p o ten tio s tat  ( C S3 1 0 m o d el) .   T h is   in s tr u m en s u p p o r ts   s ca n   r ates  f r o m   0 . 0 0 1   m V/s   to   1 0 , 0 0 0   V/ s ,   with   m in im u m   p o ten tial  g ain   o f   0 . 0 7 5   m V,   v o ltag r a n g o f   ± 1 0   V,   v o lt ag r eso lu tio n   o f   1 0   µV ,   an d   cu r r e n r eso lu tio n   o f   1   p A.   Me asu r em e n ts   in v o lv ed   c o n n ec tin g   t h SP C E   to   th p o te n tio s tat  v ia  a   Dr o p Sen s   co n n ec to r   f r o m   Me tr o h m .   All  an aly s es  u s ed   cy clic  v o ltam m etr y ,   with   p a r am eter s   d eter m in e d   b y   s wee p in g   s p ec if ic   v o ltag e   r an g es  o v er   t h in s u lin   s am p l an d   id en tif y in g   th r ea ctio n   p ea k .   T h e   v o ltag an d   c u r r e n r esp o n s r an g es  f r o m   t h ese  m ea s u r e m en ts   d et er m in th d esig n   o f   th e   p r o p o s ed   p o ten tio s tat.   Pre v i o u s   s tu d ies  [ 4 ] [ 2 5 ] [ 2 6 ]   h av s h o wn   d is tin ct  o x id a tio n   p ea k   o f   in s u lin   ar o u n d   0 . 7   in   cy clic  v o ltam m etr y ,   with   p ea k   s h if ts   in f lu en ce d   b y   m ate r ial  m o d if i ca tio n ,   s am p le  co n ce n tr atio n ,   an d   ex ter n al  co n d itio n s   ( p a n d   tem p er at u r e) .     2 . 3 .     H a rdwa re   des ig n   T h g e n er al  b l o ck   d iag r am   o f   th p r o p o s ed   d ev ice   ca n   b s e en   in   Fig u r 1 .   T h is   d esig n   wa s   in s p ir ed   b y   eST AT ,   th l o w - co s p o r tab le  p o ten tio s tat  d e v elo p ed   in   [ 1 7 ] .   W h ile  th eir   wo r k   was  in ten d ed   to   in tr o d u ce   b asic  elec tr o ch em is tr y   f o r   g e n er al  p u r p o s es,  th is   w o r k   was  aim ed   f o r   s p ec if ic  in s u lin   d etec tio n .   T h er ef o r e,   th cu r r en r ea d i n g   r an g an d   its   r eso lu tio n   was  cu s to m ized   ac co r d in g   to   th p r ep a r ed   i n s u lin   co n ce n tr atio n   v ar iatio n s .   T h d etails o f   ea ch   b lo ck   ar as f o llo ws.           Fig u r 1 .   Gen e r al  b lo c k   d iag r a m   o f   th p r o p o s ed   d e v ice       2 . 3 . 1 .   M icro co ntr o ller   T h E SP 3 2   d ev elo p m en B o a r d   Dev Kit   V1   was  u s ed   as  th m icr o co n tr o ller   p ar o f   t h d esig n .   T h e   b o ar d   is   alr ea d y   e q u ip p e d   with   an   E SP - W R OOM - 3 2   m o d u le  with   B lu eto o th ,   B lu eto o th   lo en er g y   ( B L E )   an d   Wi - Fi   o n   a   s in g le  ch i p ,   b u ilt - in   v o ltag r e g u lato r   an d   m icr o - USB   p o r t   wh ich   ar u s ef u f o r   t h p r o p o s ed   d esig n .   T h is   b o a r d   is   also   co m p atib le  with   b o ar d s   an d   lib r a r i es m an ag em en t in   t h Ar d u in o   I DE   s o f twar e.     2 . 3 . 2 .   Ana lo g /Dig it a l c o nv er t er   T h E SP 3 2   f ea tu r es  b u ilt - i n   1 2 - b it  an al o g - to - d ig ital  co n v er ter   ( ADC )   an d   an   8 - b it  d ig ital - to - an alo g   co n v er te ( DAC ) .   Fo r   p r ec is A/D  co n v er s io n ,   e s p ec ially   f o r   s m all  cu r r e n ts ,   an   ex ter n al  1 6 - b it   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   4 Au g u s t   20 25 :   3 6 8 3 - 3695   3686   ADS1 1 1 5   ADC  was  u s ed   with   p r o g r a m m ab le  g ain   am p lifie r   ca p ab le   o f   b o o s tin g   s ig n a ls   u p   to   1 6   tim es.   T h is   ADC  o f f er s   r eso lu tio n   as  lo as  0 . 1 2 5   m with in   0 - 4 . 0 9 6   r a n g e.   T h E SP 3 2 ' s   8 - b it  DAC   r eso lu tio n   a n d   s ig n al - to - n o is r atio   ar e   in s u f f icien t;   th er ef o r e,   p u ls e   wid th   m o d u latio n   ( PW M)   is   ch o s en   f o r   a   co m p ac an d   co s t - ef f ec tiv d esig n .   T h PW s ig n al  is   co n v er ted   to   co n s tan s ig n al  b y   lo w - p ass   f ilter ,   ac h iev in g   DAC r eso lu tio n   t h at  ca n   ex ce ed   8   b its   d ep e n d in g   o n   th PW f r eq u en cy   c o n f i g u r atio n .     2 . 3 . 3 .   Ana lo g   circ uit   T wo   k ey   elem en ts   in   p o te n tio s tat  ar th co n tr o am p l if ier   an d   th tr a n s im p ed an ce   am p lifie r   ( T I A) .   T h e   co n tr o am p lifie r   s ets  th elec tr o d p o ten ti al,   wh er ea s   th T I r ea d s   th c u r r en r esp o n s an d   co n v er ts   it   to   v o ltag e.   Ad d itio n al  co m p o n e n ts   in clu d e   lev el   s h if ter s ,   b u f f e r ,   a n d   lo p ass   f ilter s .   T wo   lev el   s h if ter s   m ap   th E SP 3 2   v o ltag r an g e   ( 0   t o   3 . 3   V)   to   th e   d esire d   r an g ( - 1 . 5   to   1 . 5   V)   a n d   ad ju s th c u r r en t   r ea d in g   v o ltag to   th ADC  w o r k in g   r a n g ( ± 4 . 0 9 6   V) .   b u f f er   b r i d g es  th T I an d   s h if ter   f o r   m ain tain in g   th co n v er ted   v o ltag e.   On e   lo w - p ass   f ilter   co n v er ts   th e   E S P3 2   PW s ig n al  in to   DC   s ig n al,   an d   an o th er   f ilter s   h ig h - f r eq u en cy   n o is b ef o r th ADC  r ea d s   th s ig n al.   T h T L 0 8 4   o p - a m p s   wh ich   h av 4   ch an n els,   lo in p u b ias  cu r r en ( 3 0   p at  r o o m   tem p e r atu r e) ,   lo in p u o f f s et  v o ltag ( 3   m at   r o o m   tem p er atu r e ) ,   an d   h ig h   s lew  r ate  ( 2 0   V/μ s )   is   ch o s en   as a m p lifie r s .   T h s c h em atic  o f   th a n a lo g   p ar t is sh o wn   in   Fig u r 2 .           Fig u r 2 .   Sch em atic  o f   th p o t en tio s tat’ s   an alo g   cir cu it       2 . 3 . 4 .   P o wer   s up ply   T h p o wer   f o r   all  co m p o n e n ts   ca n   b p r o v id ed   f r o m   a   p o wer   b an k   o r   1 8 6 5 0   L i - i o n   b atter y   ac co m p an ied   b y   an   1 8 6 5 0 - s h ield   co n n e cted   v ia   m ic r o - USB   p o r o n   b o a r d   a n d   th en   r eg u lated   with   th e   b o ar d s   b u ilt - in   3 . 3   p o wer   r eg u lato r .   T h n eg ativ e   v o ltag e   f o r   o p er atio n al  am p lifie r   is   s u p p lied   b y   in v er te d   v o ltag f r o m   I C L 7 6 6 0 .   An o th er   n eg ativ v o ltag is   s u p p lie d   f r o m   L M2 6 6 2   to   p r o v id m o r s tab le  v o ltag e.   L M2 6 6 2   h as lo wer   o u tp u t im p ed an ce   an d   h ig h er   o u tp u t c u r r en t th an   I C L 7 6 6 0   r esu ltin g   in   less   v o ltag d r o p .     2 . 4 .     E s t im a t io n sy s t em   I n   th is   wo r k ,   cy clic  v o ltam m etr y   an aly s is   was  u s ed   in   d eter m in atio n   o f   in s u lin   co n ce n tr atio n .   Sev er al  s tu d ies  s h o wed   th at  t h er is   an   ap p ar en p o s itiv co r r elatio n   b etwe en   o x id atio n   p ea k   cu r r e n in   C r esp o n s es  an d   co n ce n tr atio n   o f   in s u lin   [ 4 ] [ 2 5 ] [ 2 6 ] .   T h ca lib r atio n   cu r v o b tai n ed   b etwe en   th p ea k   cu r r en v alu a n d   co n ce n tr atio n   is   co m m o n ly   u s ed   t o   ch a r ac ter ize  s en s o r   p e r f o r m an ce   i n   t er m s   o f   s en s itiv ity   an d   to   d eter m i n th v o ltag v alu f o r   c h r o n o am p e r o m etr y   an aly s is .   Hig h e r   s en s itiv ity   c an   b d u to   lar g er   elec tr o ac tiv s u r f ac ar ea ,   b e ca u s m o r ac tiv s ites   f o r   r ea ctio n   ca n   lead   to   h ig h er   cu r r en r esp o n s e.   T h er ef o r e,   in f o r m atio n   r eg a r d in g   th elec tr o ac tiv ar ea   o f   t h s en s o r   was  in clu d e d   with   t h ex p ec tatio n   th at   th is   a p p r o ac h   will b ap p licab l to   v ar io u s   s en s o r s   with   d if f e r en t sen s itiv ities .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Lo w - co s t p o r ta b le  p o ten tio s ta t fo r   r ea l - time  in s u lin   co n ce n t r a tio n     ( F itr ia   Yu n ita   Dewi )   3687   T o   ca lcu late  t h elec tr o ac tiv e   ar ea ,   s ev e r al  C Vs  wer co n d u cted   i n   2 0   m M   K 3 [ Fe ( CN ) 6 ]   s o lu tio n   with   v ar io u s   s ca n - r ate  a n d   f it   th lin ea r   r e g r ess io n   o f   t h p ea k   c u r r en t   v er s u s   t h s q u a r r o o t   o f   s ca n   r ate  ac co r d in g   to   th R an d les - Sev c ik   eq u atio n   [ 2 7 ]   g iv e n   in   ( 1 ) .     i p = 0 . 4463 ( 3  3  ) 1 2 0 ( 0 ) 1 / 2   ( 1 )     wh er   is   th m ea s u r ed   p ea k   cu r r en in   v o ltam m o g r am   ( A) ,     is   th n u m b er   o f   elec tr o n s   tr an s f er r ed   in   th e   r ea ctio n ,     is   Far ad ay s   co n s tan ( 9 6 4 8 5   C /m o l) ,     is   th m o lar   co n ce n tr atio n   o f   th r e d o x   s p ec ies  ( 2 0   m M) ,     is   th d if f u s io n   c o ef f icien t   o f   th r ed o x   s p ec ies  ( ±   7 . 3   cm 2 / s ) ,     is   th g as   co n s tan t   ( 8 . 3 1 4 4   J /m o K) ,     is   th tem p er atu r e   ( K) ,     is   th s ca n   r ate  ( V/s )   an d     is   th elec tr o ac tiv s u r f ac ar ea   ( cm 2 ) .     On ce   th elec tr o ac tiv ar ea   o f   ea ch   s en s o r   was  ca lcu lated ,   C d ata  ca n   b co llected .   C V   m ea s u r em en ts   wer ca r r ied   o u f o r   ea ch   co n ce n tr atio n   b y   s u b tr ac tin g   th p ea k   r esp o n s es  f r o m   th b aselin cu r v ( r esp o n s f r o m   PB S   s am p le  in   th ab s en ce   o f   i n s u lin ) .   E ac h   co n ce n t r atio n   ex p er im en an d   its   b aselin wer co n d u cted   u s in g   th s am C p ar am eter s ,   wi th   v o ltag s wee p   f r o m   0   to   0 . 8   at  s ca n   r ate  o f   1 0 0   m V/s .   B ef o r ea ch   c y cle,   th s en s o r   was  clea n ed   an d   ac tiv ated   th r o u g h   p r etr ea tm en t,  as  d escr ib e d   in   [ 1 ] wh er f iv cy cles  o f   C wer p er f o r m e d ,   s w ee p in g   f r o m   - 0 . 2   to   1 . 1   in   alk alin NaO s o lu tio n .   All  C V   m ea s u r em en ts   wer co llected   u s in g   in d iv id u al   s cr ee n - p r in t ed   s en s o r s   with   eith er   b e n c h to p   p o ten tio s tat  o r   o u r   cu s to m ized   p o ten tio s tat  to   b u ild   d i f f er en d atasets .   T h esti m atio n   s y s tem ,   d ev elo p ed   b y   tr ain i n g   th ese   d atasets ,   is   f u r th er   ex p lain e d   i n   s u p p lem en ta r y   in f o r m atio n   s ec tio n   4.     2 . 5 .     I m plem ent a t io n sy s t em   Ou r   m o b ile  ap p licatio n ,   d e v elo p ed   o n   th MI T   Ap p   I n v en t o r   p latf o r m ,   f ac ilit ates  u s er - d ef in ed   C p ar am eter s   s u ch   as  s ca n   r ate,   cy cle  n u m b e r ,   a n d   v o ltag e   r an g to   b s en to   t h m icr o co n t r o ller   v ia  B lu eto o t h   lo en er g y   ( B L E ) .   Sen s o r   r es p o n s es  ar tr an s m itted   to   th a p p licatio n   to   b s to r e d   lo ca lly   an d   f o r war d ed   to   s er v er   f o r   p r o ce s s in g   c o n ce n tr atio n   esti m atio n .   T h p r o ce s s   in   th s er v er   is   en ca p s u lated   in   an   API   im p lem en ted   with   Flas k   f r a m ewo r k   wh ich   is   ac ce s s ib le  v ia  HT T P.  T h m o b ile  a p p li ca tio n   ca n   s en d   C r esp o n s es b y   m ak in g   POST  r eq u est wh ile  co n n ec ted   to   th e   n etwo r k .   T h s er v er   r esp o n d s   with   th est im ated   co n ce n tr atio n   in   J SON  f o r m at  th at  ca n   b d is p lay ed   in   th ap p .       3.   RE SU L T S AN D I SCU SS I O N   3 . 1 .     Cy clic  v o lt a m m e t ry   a na l y s is   f ro m   benchto p po t ent io s t a t   Fro m   p r e v io u s   r ep o r ts   [ 4 ] [ 2 5 ] [ 2 6 ] ,   C r esp o n s es  o f   in s u lin   in d icate   an   ir r ev er s ib le  r ea ctio n ,   as  th er is   an   ap p ar en o x id atio n   p ea k   with o u r ed u ctio n   p ea k .   T h is   r ea ctio n   im p lies   th at  s u cc ess iv s ca n s   r esu lt  in   d ec r ea s in g   r esp o n s cu r r en t,  as  th m ater ial  f o r   t h n ex r ea ctio n   m a y   b d e p leted .   I n   Fig u r 3 ,   th e   r esp o n s o f   th s u b s eq u e n s ca n   with   p r etr ea tm en u s in g   an   alk alin s o lu tio n   r em ain s   q u i te  s tab le  an d   d o es  n o t sig n if ican tly   d ec r ea s e,   wh er ea s   th er is   r ed u ctio n   in   r e s p o n s wh en   n o   p r etr ea tm en t i s   p er f o r m e d .     T h r ee   cy cles  o f   C r an g i n g   f r o m   0   to   0 . 8   f o r   ea ch   v ar iatio n   o f   i n s u lin   co n ce n tr atio n   m e asu r em en t   wer p er f o r m ed .   T h e   r esu lti n g   v o ltam m o g r am   f o r   th f i r s cy cles  at  s ev er al  co n ce n t r atio n s   is   s h o wn   in     Fig u r 4 ( a ) ,   a n d   t h ca lib r at io n   cu r v f o r   ea ch   c y cle  is   d is p lay ed   in   Fig u r 4 ( b ) .   T h p ea k s   f itted   in     Fig u r 4 ( b )   wer o b tain ed   b y   s u b tr ac tin g   th b aselin cu r v ( PB with   th ab s en ce   o f   in s u lin ) ,   th er eb is o latin g   th p ea k s   attr ib u ta b le  s o lely   to   th Far ad aic  r ea ctio n .           Fig u r 3 .   C r esp o n s o f   PB S with   an d   with o u t   p r etr ea tm e n t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   4 Au g u s t   20 25 :   3 6 8 3 - 3695   3688     ( a)     ( b )     Fig u r 4 .   Peak   c u r r e n t r esp o n s es f r o m   v ar i o u s   co n ce n tr atio n s   ( a)   at  f ir s t c y cle,   an d   ( b )   all  th r ee   cy cles a f ter   s u b tr ac ted   f r o m   b aselin cu r r e n t in   th f o r m   o f   cu r v ca lib r at io n       T h f itti n g   cu r v o f   th f ir s c y cle  h ad   th h ig h est  s lo p e,   in d icatin g   g o o d   s en s itiv ity h o we v er ,   it  also   h ad   th e   h ig h est  s tan d a r d   e r r o r .   C alcu latin g   elec tr o ac tiv e   a r ea   o f   ea ch   s en s o r   also   y ield ed   d if f e r en r esu lt   d ep en d i n g   o n   t h s en s o r   p er f o r m an ce .   T h s en s itiv ities   f o r   ea ch   cy cle  in   ea ch   s en s o r ,   o b tain ed   b y   av e r ag in g   th r ee   m ea s u r em e n ts ,   alo n g   with   th eir   co r r esp o n d i n g   ele ctr o ac tiv ar ea s ,   is   lis ted   in   T ab le  1 .   E s tim atin g   co n ce n tr atio n   b ased   s o lely   o n   p ea k   c u r r en t   will  b e   u n r eliab le  d u e   to   v ar iatio n s   in   s lo p es  am o n g   d if f er en t   s en s o r s .   T h er ef o r e ,   th aim   in   th is   s tu d y   is   to   esti m at co n ce n tr atio n   b y   in co r p o r atin g   in f o r m atio n   ab o u th e   elec tr o ac tiv ar ea ,   as th s lo p e   d ep en d s   o n   it.   T h p er f o r m a n ce   co m p ar is o n   o f   f itti n g   t h r eg r ess io n   with   d if f er e n s elec tio n s   o f   v a r iab les  as   p r ed icto r s   ca n   b s ee n   in   T ab le  2 .   T h v ar iab les  in v o lv ed   ar th p ea k   cu r r e n ts   f r o m   th f ir s t,  s ec o n d ,   an d   th ir d   cy cles,  ab b r e v iated   as  I 1 ,   I 2 ,   I 3   r esp ec tiv ely ,   an d   th e   elec tr o d e' s   elec tr o ac tiv ar ea ,   T h d ata  u s ed   f o r   f itti n g   wer co llected   f r o m   m ea s u r em en ts   tak en   f r o m   4   d i f f er en s en s o r s .   T h lo R 2   v alu wh en   u s in g   p ea k   cu r r en f r o m   o n ly   o n c y cle   as  p r ed icto r   s u g g ests   th at  v ar iatio n s   in   co n ce n tr atio n   ar in ad eq u ately   ex p lain ed   b y   th is   p r e d icto r   alo n e,   esp ec ially   g iv en   t h at  p ea k   cu r r en ts   d if f e r   ac r o s s   s en s o r s .   I n co r p o r atin g   p ea k   cu r r en t   v alu es  f r o m   ad d itio n a cy cles  an d   elec tr o ac tiv e   ar e s ig n if ican tly   en h a n ce s   R 2 ,   i n d icatin g   t h at  th ese  n ew  v ar iab les co n tr i b u te  to   e x p lain in g   co n ce n tr atio n   v ar iatio n s   m o r ef f ec tiv ely .         T ab le  1 .   Sen s itiv ity   f r o m   ea ch   cy cle  an d   t h co r r esp o n d i n g   e lectr o ac tiv s u r f ac ar ea   f o r   ea ch   s en s o r   S e n s o r   n u m b e r   S e n s i t i v i t y   ( 1 0 - 1   µ A / µ M )   El e c t r o a c t i v e   a r e a   ( c m 2 )   C y c l e   # 1   C y c l e   # 2   C y c l e   # 3   1   5 . 9 7   3 . 8 9   2 . 7 8   0 . 0 2 8 4   2   3 . 1 6   2 . 5 0   2 . 0 8   0 . 0 2 5 7   3   7 . 5 3   4 . 3 1   3 . 6 5   0 . 0 2 2 2   4   2 . 3 9   1 . 3 8   1 . 0 8   0 . 0 1 2 8       T ab le  2 .   C o m p a r is o n   o f   r eg r es s io n   f itti n g   p er f o r m a n ce   ac r o s s   v ar io u s   s elec ted   p r ed icto r s   P r e d i c t o r   se l e c t i o n   R 2   M S E   M A E   I1   0 . 7 0   0 . 4 6   0 . 4 8   I2   0 . 7 9   0 . 3 5   0 . 4 0   I3   0 . 7 4   0 . 4 2   0 . 4 5   I 2 ,   A   0 . 8 1   0 . 3 2   0 . 4 2   I 1 ,   I 2 ,   A   0 . 8 4   0 . 2 8   0 . 3 7   I 2 ,   I 3 ,   A   0 . 9 2   0 . 1 5   0 . 3 0   I 1 ,   I 2 ,   I 3 ,   A   0 . 9 2   0 . 1 5   0 . 3 0       3 . 2 .     H a rdwa re   des ig n   T h e   a n a l o g   p a r t   o f   o u r   p o r t a b le   p o t e n t i o s t a t   w a s   i n i ti a l l y   s i m u l a t e d   u s i n g   L T s p i c e .   S u b s e q u e n t l y ,   t h p r i n t e d   c i r c u i t   b o a r d   ( P C B )   l a y o u t   w a s   c r e a t e d   u s i n g   E a s y E DA   D e s i g n e r .   F i n al l y ,   a l l   c o m p o n e n t s   w e r e   s o l d e r ed   o n t o   t h e   P C B   a l o n g   w it h   m i c r o c o n t r o l l e r ,   A DC ,   a n d   s u p p l y   r e g u l a t o r   c i r c u i t .   T h e   f i n al   a s s e m b l e d   f o r m   c a n   b e   s e e n   i n   Fi g u r e   5 .   T h e   d e t a i ls   o f   t h e   PC B   l a y o u t   c a n   b e   s e e n   i n   t h e   s u p p l e m e n t a r y   i n f o r m a ti o n   s e c ti o n   2 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Lo w - co s t p o r ta b le  p o ten tio s ta t fo r   r ea l - time  in s u lin   co n ce n t r a tio n     ( F itr ia   Yu n ita   Dewi )   3689       Fig u r 5 .   Ass em b led   f o r m   o f   o u r   p o ten tio s tat       3 . 2 . 1 .   Vo lt a g o utput   co nv er s io n   T h p r o ce s s   to   g en er ate  t h p o ten tial  b etwe en   elec tr o d es  f o r   C an aly s is   in v o lv es  s ev er al  s tep s .   First,  th E SP 3 2   g e n er ates  a   PW s ig n al  with   f r eq u e n cy   o f   5 0   k Hz.   T h i s   s ig n al  is   th en   f ilter ed   b y   a   s im p le   f ir s t - o r d er   lo w - p ass   f ilter   c o n s is tin g   o f   a   5 . 6   k   r esis to r   an d   4 7 0   nF   ca p ac ito r ,   r esu ltin g   in   an   ap p r o x im ately   6 0 . 4 7   Hz  c u to f f   f r eq u en cy .   T h n e x s tep   in v o lv es  m ap p in g   th f ilter ed   s ig n al  r an g f r o m   0   to   3 . 3   V   to   t h d esire d   r a n g e.   Fig u r 6   s h o ws  th p lo o f   th e   r esu ltin g   W E - R E   p o ten tial  wit h   th e   co r r esp o n d i n g   10 - b it  PW d ig ital  v alu es.  B ey o n d   8 5 0   PW d ig ital  v alu e,   th v o ltag in cr e ase  s atu r ates  b ec au s th e     op - am p   o u tp u v o ltag e   ca n n o t   f u lly   r ea c h   its   s u p p ly   v o ltag e .   T h er ef o r e,   to   m ain tain   lin ea r ity ,   th is   v alu was  n o ex ce e d ed   an d   th e   f in al  o u t p u r a n g e   b ec am e   - 2   to   1 . 5   V,   with   4 . 4   m r eso lu tio n   an d   v er y   h ig h   R 2   v alu e.   T h is   h ig h   v al u in d icate s   th at  th v o ltag g en er ated   at   th s en s o r   will  b h i g h ly   lin ea r   with   th e   PW s ig n al,   wh ich   is   co n tr o lled   b y   th e   v o lt ag p ar am eter   s et  b y   th u s er   th r o u g h   th a p p   in te r f ac e.           Fig u r 6 .   T h g e n er ated   W E - R E   p o ten tial w ith   co r r esp o n d i n g   PW v alu e       3 . 2 . 2 .   Curre nt  inp ut  co nv er s io n   ADS1 1 1 5   ca n   o n ly   r ea d   v o l tag e,   s o   th c u r r en f r o m   th s en s o r   is   co n v er te d   to   v o l tag b y   a   tr an s im p ed an ce   am p lifie r   ( T I A) .   T o   ca p tu r s m all  cu r r e n ts   in   t h o r d er   o f   s ev er al  m ic r o am p er es,  h ig h   r esis to r   v alu f o r   g ain ,   s p ec if ically   2 0 0   k Ω ,   was  u s ed   in   o u r   p o te n tio s tat.   T h r esu ltin g   n eg ativ e - to - p o s itiv v o ltag is   t h en   s h if ted   u s in g   a n o th er   lev el  s h if ter   to   en s u r e   t h v o ltag f alls   with in   a   p o s it iv r an g r ea d ab le   b y   th e   ADC.  As  d ep icted   in   F ig u r 2 ,   th er e   is   an   a d d itio n al  b u f f er   wh ich   s er v es  as  b r i d g b etwe en   th e   T I A   an d   th lev el  s h if ter ,   en s u r in g   th at  th v o ltag f r o m   th T I r em ain s   u n af f ec ted   b y   th le v el  s h if ter s   cir cu it.  Ad d itio n ally ,   lo w - p ass   f ilter   was a d d ed   b ef o r th ADC r e ad in g   to   atten u ate  u n wa n ted   n o is e.   T h ADC  v o ltag m u s b ca lcu lated   b ac k   in to   cu r r en u n its   to   o b tain   th I - cu r v e.   Vo ltag s ca n n in g   ac r o s s   test   r esis to r s   allo wed   u s   to   d er iv th e   co n v er s io n   e q u atio n .   Acc o r d i n g   to   Oh m s   law,   th e   cu r r en t h r o u g h   a   r esis to r   is   eq u al  to   t h v o ltag ac r o s s   it  d iv id ed   b y   its   r esis tan ce .   B y   f itti n g   t h ADC   r ea d in g s   to   ca lcu lated   cu r r en t s ,   th av e r ag e   o f   s lo p es  an d   b iases   f o r   d if f er en t   r esis to r s   ar o b tain e d .   W ca n   u s th av er ag ed   v al u es  s in ce   th v ar iatio n s   in   s lo p an d   b ias  ac r o s s   d if f er en r esis to r s   a n d   s ca n   r ates  wer s m all  an d   ca n   b n eg lecte d .   T h ese  v alu es we r th en   u s ed   to   g et  th co n v er s io n   f o r m u la  b el o w:   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   4 Au g u s t   20 25 :   3 6 8 3 - 3695   3690          ( µ ) =     ×          ( ) +       ( 2 )     with   an   av er ag s lo p o f   1 0 . 1 0   an d   av er ag b ias  o f   - 1 6 . 8 4 .   W ith   r eso lu tio n   o f   0 . 1 2 5   m in   AD C   r ea d in g s ,   th s m allest esti m ated   cu r r en t c o n v er ted   f r o m   th ADC is   1 . 2 6   n A.     3. 3   H a rdwa re   v a lid a t io n   Fig u r 7   s h o ws  th C r esp o n s o f   2 . 8 8   u in s u lin   m ea s u r ed   u s in g   o u r   cu s to m   p o ten t io s tat  o n   o n e   o f   th s en s o r s   u s ed .   T h Sav itzk y - Go lay   ( S - G)   f ilter   [ 2 8 ]   was  ap p lied   to   s m o o th   th C r esp o n s e,   with   th aim   to   r ed u ce   n o is with o u t   d is to r tin g   th e   s h ap e   an d   h eig h t   o f   th e   p r o m in en t   p ea k .   T h p r in cip le  o f   th e   S - f ilter   in v o lv es  f itti n g   least  s q u ar es  p o ly n o m ial  to   s et  o f   d ata  p o i n ts   d ef in ed   b y   th win d o len g th   a n co n v o l v in g   it  ac r o s s   th en tire   d ata.   I n   th is   s tu d y ,   a   s ec o n d - o r d er   p o ly n o m ial  with   a   win d o len g th   o f   4 0   d ata   p o in ts   was e m p lo y ed .           Fig u r 7 .   R aw  an d   s m o o th ed   C r esp o n s o f   2 . 8 8   u i n s u lin   u s in g   Sav itzk y - Go lay   f ilt er       C m ea s u r e m e n ts   w er p er f o r m ed   u s i n g   o u r   c u s t o m   p o te n t io s t at   wit h   t h e   s am p ar am ete r s   as   t h o s e   o f   th e   b e n c h t o p   p o te n ti o s t at .   F ig u r e   8 ( a)   s h o ws   t h e   f ir s t   c y cl r esp o n s e   f o r   ea ch   c o n ce n t r a t io n ,   a n d   F ig u r e   8 ( b )   p r ese n ts   th c ali b r at io n   c u r v e s   f o r   ea ch   c y cl e.   T h h i g h es t   s en s iti v it y   w as  o b s e r v ed   i n   t h f i r s cy cl d at a,   d es p it h av in g   t h lo west   R ²   a n d   h i g h est   s ta n d a r d   er r o r   am o n g   t h e   c y c les .   Fi g u r 9   co m p a r es   b asel in e - s u b tr ac te d   r es p o n s es   f o r   th s am e   c o n c e n tr ati o n s   b etw ee n   t h e   b e n c h t o p   ( d as h e d   li n e )   a n d   o u r   p o te n ti o s t at   ( s o li d   li n e ) .   T h e   s h i f t   i n   p ea k   p o te n ti al   is   l i k el y   d u e   t o   s e n s o r   d i f f e r e n c es   c au s ed   b y   c y c l n u m b er s ,   f o u li n g ,   an d   ch a n g es  i n   ele ct r o d s u r f a ce   p r o p e r t ies .   N o n et h eless ,   r es u lts   f r o m   o u r   p o te n ti o s t at  a g r e wit h   t h o s f r o m   th e   b e n c h t o p   d ev ice ,   a s   i n c r e as ed   c o n c en tr ati o n   co r r el at es w it h   in cr ea s ed   a n o d ic   p e ak   c u r r e n t.         ( a)     ( b )     Fig u r 8 .   Peak   c u r r e n t r esp o n s es f r o m   v ar i o u s   co n ce n tr atio n s   ( a)   at  f ir s t c y cle,   an d   ( b )   all  th r ee   cy cles a f ter   s u b tr ac ted   f r o m   b aselin cu r r e n t in   th f o r m   o f   cu r v ca lib r at io n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:   2088 - 8 7 0 8         Lo w - co s t p o r ta b le  p o ten tio s ta t fo r   r ea l - time  in s u lin   co n ce n t r a tio n     ( F itr ia   Yu n ita   Dewi )   3691       Fig u r 9 .   C r esp o n s es o b tain ed   f r o m   b en c h to p   ( d ash ed   lin e )   an d   f r o m   o u r   p o ten tio s at  ( s o l id   lin e)   af ter   s u b tr ac tin g   th b aselin e       3 . 4 .     E s t im a t io n sy s t em   As  p r ev io u s ly   m en tio n e d ,   t h is   s tu d y   p r o p o s es  an   esti m atio n   o f   in s u lin   co n ce n tr atio n   u s in g   p r ed icto r s   I 2 ,   I 3 ,   an d   A.   T h e   f itti n g   p r o c ess   to   g et  m u ltip le  lin ea r   r e g r e s s io n   p ar am eter s   was d o n e   in   t h tr ain in g   d ataset.   T h test in g   d ataset  was  th en   u s ed   to   v ali d ate   th s y s tem .   T h er ar e   7   d atasets   o b tain ed   f r o m   7   d if f er e n s en s o r s   th at  wer co n d u cted   with   b en ch to p   p o ten tio s tat  ( 4   d atasets DA1 ,   DA2 ,   DA3 ,   an d   DA4 )   an d   o u r   p o ten tio s tat  ( 3   d atasets D B 1 ,   DB 2 ,   DB 3 ,   an d   DB 4 ) .   E ac h   d ataset  co m p r is es  in s u lin   co n ce n tr at io n   d ata  with   its   p ea k   cu r r e n ts   in   ea ch   3   c y cles  an d   th s en s o r s   elec tr o ac tiv ar ea .   Ou r   p r o p o s ed   e s tim atio n   s y s tem   is   b asically   s u p er v is ed   m ac h in lear n in g   r eg r ess o r   with   co n ce n tr atio n   as  its   lab el,   an d   s el ec ted   p r ed icto r s   as  its   f ea tu r es.  T h e   R 2   s co r e ,   m ea n   s q u ar e d   e r r o r   ( MSE )   an d   m e an   ab s o lu te   er r o r   ( MA E )   wer e   u s ed   as m etr ics  to   ev alu ate  th esti m atio n   o f   th s in g le - p r ed icto r   an d   o u r   p r o p o s ed   m eth o d   as lis ted   in   T ab le  3 .       T ab le  3 .   Per f o r m an ce   ev alu ati o n   o f   th esti m atio n   m eth o d s   ac r o s s   d if f er en d atasets   P r e d i c t o r   ( s)   D a t a   t r a i n   D a t a   t e s t   S A 4   D a t a   t e s t   S B 1   D a t a   t e s t   S B 2   R 2   M S E   M A E   R 2   M S E   M A E   R 2   M S E   M A E   R 2   M S E   M A E   I1   0 . 8 3   0 . 3 1   0 . 4 1   0 . 6 4   1 . 6 1   1 . 0 7   0 . 9 0   0 . 0 3   0 . 1 7   -   0 . 3 4   0 . 5 2   I 2 ,   I 3 ,   A   0 . 9 2   0 . 1 5   0 . 2 8   0 . 9 2   0 . 2 5   0 . 4 1   0 . 8 7   0 . 0 9   0 . 1 9   0 . 8 6   0 . 0 4   0 . 1 9       T h f ir s m eth o d   is   an alo g o u s   to   th s in g le - p r ed icto r   ap p r o a ch   wh ich   u s es  ca lib r atio n   cu r v o f   p ea k   cu r r en v e r s u s   co n ce n tr atio n .   Her e,   th s in g le - p r e d icto r   s y s t em   u tili ze d   th p ea k   cu r r en f r o m   th f i r s cy cle  ( I 1 )   to   esti m ate  th co n ce n tr at io n .   T h R ²  v alu f r o m   th tr ai n in g   d ataset  was r elativ ely   lo o win g   to   th h ig h   v ar ian ce   ca u s ed   b y   d if f er e n s en s o r s ,   as  illu s tr ated   in   Fig u r e   1 0 .   T h r eg r ess io n   p ar am eter s   d er iv ed   f r o m   th is   tr ain in g   d ata  s tr u g g le  to   ac cu r ately   esti m ate  co n ce n tr atio n   if   th d ataset  in clu d es  s en s o r   with   s ig n if ican tly   d if f er en t   p er f o r m a n ce .   Am o n g   th th r ee   s ets  o f   test   d ata,   o n e   ex h ib ited   l o R ²  v alu e ,   o n e   is   h ig h ,   an d   o n is   co m p letely   u n ex p lain a b le  b y   th tr ain ed   m o d el   ( n eg ativ R ²) .   T h u s ,   alth o u g h   o n e   s en s o r   m ay   y ield   g o o d   esti m atio n   r esu lts ,   th is   d o es  n o ap p ly   to   th e   o th er   two   s en s o r s ,   in d icatin g   th at  u s in g   s in g le  p r e d icto r   d o es   n o t y ield   c o n s is ten t r esu lts   ac r o s s   all  test in g   s en s o r s .   T h p r o p o s ed   m et h o d ,   o n   th e   o th er   h a n d ,   d em o n s tr ated   g o o d   r esu lts   ac r o s s   all  d if f er en t   d ata  test s   (R 2   0 . 8 5 ) .   B y   in co r p o r atin g   p ea k   cu r r e n f r o m   two   cy cles  an d   th elec tr o ac tiv ar ea ,   th s y s tem   was   ab le  to   g en er alize   well  to   s ev er al  d a ta  test s .   I n   ter m s   o f   co m p u ta tio n al  co m p lex ity ,   alth o u g h   t h tr ain in g   o f   o u r   m eth o d   was  m o r co m p lex   t h an   th at  o f   th s in g le - p r ed ict o r   m eth o d ,   th test in g   p r o ce s s   r em ain ed   s im p le  b ec au s th s y s tem   o n ly   n ee d ed   to   c o m p u te   m u ltip licatio n s   o f   p ar am eter s   with   p r ed icto r   v alu es.  T h test in g   co m p lex ity   ca n   b e   ex p r ess ed   as  O( m ) ,   wh er e   m   r e p r esen t s   th n u m b e r   o f   p r e d icto r s .   I n   th is   s ce n ar io ,   o u r   m eth o d   p r esen ts   n o   ch allen g es  f o r   r ea l - tim ap p licatio n s   b ec au s th e r is   n o   s ig n if i ca n d if f e r en ce   in   co m p u tatio n   tim co m p a r ed   to   th s in g le - p r e d icto r   m eth o d .   T o   f u r th er   v ali d ate  th r esu lts ,   cr o s s - v alid atio n   was  co n d u cted   u s in g   th d ataset  co m b in atio n s   p r esen ted   in   T ab le   4 .   Giv en   th at  s o m e   s en s o r s   ex h ib ited   s im ilar   elec tr o ac tiv e   ar ea   v alu es,  th s elec ted   tr ain in g   co m b in atio n s   wer ca r ef u lly   ch o s en   to   e n s u r s ig n if ican v ar iatio n   in   elec tr o ac tiv e   ar ea .   As  s h o wn   in   th tab le,   all   co m b in atio n s   y ield ed   test in g   r esu lts   with   an   R ²  v alu ex ce e d in g   0 . 8 5 ,   d e m o n s tr atin g   r o b u s p er f o r m an ce .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 7 0 8   I n t J E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.   15 ,   No .   4 Au g u s t   20 25 :   3 6 8 3 - 3695   3692       Fig u r 1 0 .   E s tim atin g   in s u lin   co n ce n tr atio n   with   p ea k   c u r r e n t o f   th f ir s cy cle  ( I 1 )   as p r e d icto r       T ab le  4 .   C r o s s   v alid atio n   p er f o r m an ce   in   tr ain in g   an d   test in g   d ata   Tr a i n i n g     d a t a se t   Te st i n g   d a t a se t   Tr a i n i n g   Te st i n g   R 2   M S E   M A E   R 2   M S E   M A E   D 1 ,   D 2 ,   D 3 ,   D 5     D 4 ,   D 6 ,   D 7   0 . 92   0 . 17   0 . 29   0 . 90   0 . 35   0 . 45   D 1 ,   D 2 ,   D 3 ,   D 6   D 4 ,   D 5 ,   D 7   0 . 93   0 . 14   0 . 29   0 . 90   0 . 27   0 . 40   D 1 ,   D 2 ,   D 3 ,   D 7   D 4 ,   D 5 ,   D 6   0 . 93   0 . 15   0 . 28   0 . 90   0 . 20   0 . 37   D 1 ,   D 2 ,   D 4 ,   D 5   D 3 ,   D 6 ,   D 7   0 . 90   0 . 21   0 . 33   0 . 96   0 . 05   0 . 19   D 1 ,   D 2 ,   D 4 ,   D 6   D 3 ,   D 5 ,   D 7   0 . 93   0 . 16   0 . 31   0 . 88   0 . 23   0 . 34   D 1 ,   D 2 ,   D 4 ,   D 7   D 3 ,   D 5 ,   D 6   0 . 92   0 . 16   0 . 31   0 . 87   0 . 21   0 . 36   D 1 ,   D 2 ,   D 5 ,   D 6   D 3 ,   D 4 ,   D 7   0 . 89   0 . 17   0 . 31   0 . 88   0 . 46   0 . 50   D 1 ,   D 2 ,   D 5 ,   D 7   D 3 ,   D 4 ,   D 6   0 . 89   0 . 18   0 . 32   0 . 86   0 . 51   0 . 51   D 1 ,   D 2 ,   D 6 ,   D 7   D 3 ,   D 4 ,   D 5   0 . 91   0 . 15   0 . 29   0 . 89   0 . 39   0 . 47       T o   en s u r th at  th er was in d ee d   s tati s tically   s ig n if ican r elatio n s h ip   b etwe en   ea ch   p r ed ict o r   an d   th co n ce n tr atio n   v alu es,  h y p o th e s is   tes tin g   was  also   co n d u cted .   T h n u ll  h y p o th esis   s tated   th at  th co ef f icien o f   ea ch   p r e d icto r   is   eq u al  to   0 ,   in d icatin g   t h at  ea ch   p r ed ict o r   d o es  n o h av a   s ig n if ica n r elatio n s h i p   with   co n ce n tr atio n .   W ith   a   to tal  o f   7 5   d ata  p o in ts   a n d   3   p r ed icto r s ,   th c o m p u te d   p - v alu es  f o r   ea ch   p r e d icto r ,   I 2 ,   I 3 ,   an d   A,   wer 8 . 5 2 ×1 0 - 10 ,   3 . 6 8 ×1 0 - 7 ,   an d   0 . 0 0 6 ,   r esp ec tiv e ly .   All  th r ee   p - v alu es  o b tain e d   wer <   0 . 0 5 ,   th u s   r ejec tin g   th n u ll  h y p o th esis .   T h is   m ea n s   th at  with   9 5 co n f id en ce   lev el,   all  p r ed ict o r s   h av s tatis tically   s ig n if ican t r elatio n s h ip   with   th co n ce n tr atio n   v alu es.   T h er ar s till   n o t   m an y   s tu d ies  r ep o r tin g   m eth o d s   to   d ete r m in co n ce n tr atio n   f r o m   C r esp o n s e   o th er   th an   u s in g   ca lib r atio n   cu r v es  with   s in g le  p r ed icto r .   n o v el  an aly tical  ap p r o ac h   th at  d o es  n o r ely   o n   th ty p ical  ca lib r atio n   cu r v h as  b ee n   p r o p o s ed   b y   C h en   a n d   C h en   [ 2 9 ] .   I n   th ei r   s tu d y ,   t h ey   d eter m in e d   th e   co n ce n tr atio n   o f   p esti cid u s i n g   in v e r s ca lib r atio n   a n d   h ig h - o r d e r   p o ly n o m ial  f itti n g .   T h eir   d ataset  h ad   2 0   r ep licates  in   ea ch   co n ce n tr ati o n   with   p r an g i n g   f r o m   6 . 5   to   6 . 8 .   W ith   t h ese  m an y   r e p li ca tes,  ev en   th p ea k   cu r r en co u ld   n o s er v as  u s e f u d etec tio n   in d e x   f o r   c o n ce n tr atio n .   T h eir   id ea   was  u s in g   a r ea   f r o m   C cu r v e   as  d eter m in atio n   v a r iab le.   T h co m p ar is o n   o f   th r esu ltin g   R 2   ca n   b s ee n   in   T ab le  5 .   T h ey   ca lcu lated   R 2   f r o m   th e   f itti n g   d ata,   t h er ef o r e   we  co m p ar e d   with   th R 2   f r o m   tr ain in g .       T ab le  5 .   C o m p a r is o n   o f   co n ce n tr atio n   esti m atio n   with o u t c o n v en tio n al  c u r v ca li b r atio n   R e f .   M e t h o d   P r e d i c t o r   R 2   [ 2 9 ]   3 - o r d e r   P o l y n o m i a l     C V   a r e a   b e t w e e n   0 . 5   a n d   0 . 9   V   0 . 7 8   [ 2 9 ]   3 - o r d e r   P o l y n o m i a l     C V   a r e a   b e t w e e n   0 . 5   a n d   1 . 1   V   0 . 8 6   Th i s   w o r k   M u l t i p l e   l i n e a r   r e g r e ss i o n   I 2 ,   I 3 ,   a n d   A   >  0.90       I is   wo r th   n o tin g   th at  th d is ad v an tag o f   u s in g   elec tr o ac ti v ar ea   as  p r e d icto r   is   th at  th n ec ess ity   to   r e - ca lcu late  th s u r f ac ar ea   p er io d ically   d u to   its   d ec lin in g   p er f o r m a n ce   o f   s en s o r   o v er   tim e.   Fo r   f u tu r e   r esear ch ,   alter n ativ m eth o d s   n ee d   to   b ex p lo r ed   th at  ca n   p r ed ict  th d ec lin in   s u r f ac ar ea   v alu es  b ased   o n   th b aselin C s h ap e.   T h is   ap p r o ac h   will  elim in ate  th n ee d   f o r   co n tin u o u s   m ea s u r em e n o f   s en s o r   s u r f ac ar ea .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.