10美元的“化学眼”传感器：可穿戴无创测血糖达实验室级精度

一种成本仅10美元的新型光学传感器有望为可穿戴健康监测设备带来实验室级精度，使人们有可能无需扎针即可追踪血糖。这项技术还可能改变食品检测、工业质量控制与环境监测。

剑桥大学和GlitterinTech（由同一研究团队创立的一家初创公司）的研究人员开发出一种新型光学光谱仪，将卓越精度与极小尺寸和低成本结合在一起。该器件宽度仅数厘米，可集成到便携式电子产品和可穿戴健康技术中。其潜在应用范围从实时监测重要健康标志物，到识别材料以及检测化学成分变化。

光学光谱仪通过分析光来揭示与之相互作用物质的信息。它们是医学、制造、化学检测和环境研究中的重要工具。然而，传统上要使这些仪器小型化，往往意味着牺牲性能。紧凑型光谱仪通常测量范围有限、分辨率降低或精度较低，因此更适合识别物质，而非进行精确测量。

研究人员认为，他们的新设计可以克服这些限制。这种被称为卷积光谱仪的设计利用一种名为卷积定理的数学原理，以根本不同的方式分析光。团队表示，这种方法在若干关键领域超越了现有类型的光谱仪，包括基于光色散、傅里叶变换和计算重建的设计。

以非凡精度分析光的新方法

传统光谱仪通常将入射光分离成其组成波长，或使用复杂计算来重建其光谱。新器件采取了另一种方法，直接对入射光执行一种称为卷积的数学运算。

为实现这一点，研究人员将具有重复光谱响应的光学组件按顺序排列。这些组件可以包括非平衡马赫-曾德尔干涉仪或微环谐振器。通过按彼此比例调整它们，系统可以以受控的线性方式将其响应移动到不同波长。随后使用快速傅里叶变换来准确恢复光谱。

“关键洞见是回到数学，问是否存在一种从根本上更简洁的方法来检索光谱，”该研究的第一作者之一Chunhui Yao博士说。“通过直接在光学域中使用卷积定理，我们避免了许多阻碍小型化光谱仪发展的限制。这使我们能够在紧凑且低成本的系统中实现高精度、强噪声容限和极低计算开销。”

研究人员使用氮化硅光子平台构建了该光谱仪，并将其与板载电子器件集成。它可在广泛的近红外波长范围（1200—1700纳米）内工作，并能在不到一秒内收集和处理测量数据。

另一个重要优势是，它无需重大硬件改动即可扩展测量能力。由于该系统使用重复的光学图案，其光谱带宽理论上几乎可以无限扩展。按顺序增加更多光学组件还可以指数级提高其分辨率。

一种可能改变食品检测和医疗健康的10美元传感器

为了在纯理论测量之外评估该器件，研究人员在多种材料和物质上进行了测试。结果证明了它在通常依赖更大、更昂贵实验室仪器的应用中的潜力。

当用于识别塑料、药品、咖啡、面粉和茶叶时，该光谱仪在 reported tests 中实现了100%的分类成功率。它还在水基和有机溶液中以约0.01%的精度测量浓度，在这些实验中超过了商用台式光谱仪的性能。

医疗健康方面的演示尤其令人期待。在旨在反映真实生理环境的条件下，该器件准确测量了多种人体生物标志物，包括皮肤水分、血液酒精、血乳酸和血糖。

研究人员还在一名参与者身上演示了较长时间的无创血糖追踪。尽管该技术要成为实用医疗产品仍需进一步测试，但这一发现提示了一条无需反复刺破皮肤即可监测血糖的可能途径。

“这些生物医学演示尤其令人兴奋，”领导该项目的Qixiang Cheng教授说。“这项工作的突出之处不仅在于实验室性能，还在于技术就绪度。Chunhui Yao博士的贡献对于将一个数学概念转化为完全封装、稳健的系统至关重要，该系统可在极端温度和现实条件下可靠运行。这种结合为实际部署打开了大门。”

该传感器还表现出对温度变化的出色耐受性。它在-20°C至80°C之间持续可靠运行，对于微型光谱仪而言，这是异常宽泛的温度范围。这种耐用性对于可穿戴设备、工厂设备和户外运行的传感器尤其有价值。

更简单的设计为何可能成为重大突破

新型光谱仪的优势不仅限于精度、尺寸和价格。其内部设计还减少了分析入射光所需的计算能力。

许多现有微型光谱仪依赖复杂的校准程序和苛刻算法来重建光谱信息。当测量包含噪声时，这些方法可能变得不可靠，而且通常需要大量处理资源。

剑桥团队的基于卷积的方法避免了大部分此类复杂性。由于测量遵循线性数学关系，系统可以快速且一致地恢复光谱，同时使用相对较少的计算能力。

“这是一个很好的例子，说明优雅的工程如何释放真正的影响，”为光子系统设计和集成作出贡献的Richard Penty教授说。“该架构简单、可扩展且可制造，却能提供媲美或超过大得多的仪器的精度。Chunhui Yao博士在汇集光子设计、系统集成和实验验证方面发挥了核心作用，使这一切成为可能。”

其相对简单的结构还可能使该技术更容易大规模制造，从而有可能将精密光学测量带入传统光谱仪过于笨重或昂贵的设备中。

将实验室级测量带入日常设备

研究人员设想了一个未来：精确光学传感成为日常技术的常规功能，而不再主要局限于专业实验室。

在工业环境中，廉价光谱仪可以安装在整个制造设施中，持续检查材料成分和产品质量。类似传感器可以以远超当前实际可行的规模监测食品新鲜度、识别物质并分析环境条件。

医疗健康也可能出现同样显著的变化。紧凑型传感器最终可能使可穿戴设备能够测量水合水平、检测醉酒迹象、追踪与体能相关的生物标志物，或为管理糖尿病的人持续监测血糖水平。

“我们的愿景是让光谱测量像温度或运动传感一样无处不在，”Qixiang Cheng教授补充说。“这项工作表明，高质量光谱信息不必局限于实验室——它可以直接嵌入人们每天使用的技术中。”

随着光子技术变得更小、更先进，卷积光谱仪提供了一个有前景的范例，说明数学洞见和实际工程如何使精密科学仪器更简单、更便宜、更易获得。通过将高精度与成本约10美元的器件相结合，研究人员开辟了一条潜在路径，通向新一代能够测量我们身体和周围环境中隐藏化学信息的智能传感器。

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