生物传感应用光传感器的技术趋势

基于我们之前的文章对SWIR技术基础知识的解释，我们将讨论作为一种具体应用而日益受到关注的非侵入性生物传感技术。

全球糖尿病患者数量增加

近年来，全球经济发展和随之而来的饮食结构变化导致全球糖尿病患者及高危人群数量增加。根据国际糖尿病联合会 (IDF)* 的数据，2021 年全球糖尿病患者人数为 5.4 亿，预计到 2045 年将达到 7.8 亿。
*糖尿病事实与数据 | 国际糖尿病联盟

全球糖尿病的增加带来了医疗费用上升、生活质量下降、社会负担加重等社会问题。

血糖控制是糖尿病治疗的关键。对于糖尿病患者来说，基本的治疗方法是结合饮食和运动疗法，以及口服药物或注射胰岛素来维持稳定的血糖水平。因此，患者必须在日常生活中持续监测血糖水平。为此，人们使用各种血糖监测设备。

血糖测量的挑战：从侵入性方法到非侵入性方法

血糖测量有两种方法。第一种是SMBG（自我血糖监测），即测量指尖采血中的葡萄糖含量。第二种是CGM（持续血糖监测），即使用佩戴在手臂上的贴片式传感器持续测量血糖。直到最近，SMBG和CGM方法通常都采用需要针头穿透皮下组织的“侵入式”方法。然而，随着传感器技术的进步，可以从皮肤上方测量血糖的“非侵入式”传感器的开发正在取得进展。

从侵入式测量到非侵入式测量的转变，为糖尿病患者带来了诸多显著益处。首先，就是消除了采血针插入带来的疼痛。虽然采血针非常细，疼痛程度极小，但每次检测都难免会感到不适。这对于糖尿病患儿来说尤其成问题，因为他们通常害怕注射，这可能会妨碍治疗。

采血的另一个问题是，在同一部位反复注射会导致皮肤硬化。因此，必须不断轮换注射部位。相比之下，非侵入式连续血糖监测 (CGM) 设备则从皮肤上方进行测量。一旦安装，即可持续监测 10 天至 2 周，且不会造成疼痛。

对患者而言，第二大优势在于经济。侵入式SMBG设备每次测试都需要更换采血针和血糖传感器。设备本身价格为64.30美元至96.46美元（基于2025年1月155.51日元兑1美元的汇率）。每次测试的传感器和采血针成本为0.96美元至1.29美元。每天测试三次（早、中、晚），即使有医疗保险，每年的费用也约为128.61美元。非侵入式设备无需消耗部件，只需购买初始设备即可。（具体费用因国家/地区和保险范围而异。）

随着全球糖尿病患者人数呈上升趋势，血糖监测市场预计将大幅扩张。全球各大公司正竞相开发搭载新型非侵入式传感器的可穿戴设备，以抢占这一市场。

生物传感中的光传感器

可穿戴设备非侵入式生物传感器的核心技术利用了我们在上一篇文章中解释过的SWIR等光学特性。（请参阅基础部分（有关详细的光学特性。）下图说明了 Dexerials 的SWIR反射传感器设计。

在左图中，光线在撞击无机物质时会反射。相比之下，在右图中，光线穿透指尖（生物组织）并到达内层。一些光被水和生物物质吸收，以衰减状态返回传感器。使用光学半导体的生物传感器测量各种波长的光。它们通过测量光吸收量来检测目标物质。

迪睿合开发了各种专为可穿戴设备集成而设计的生物传感器组件。接下来，我们将详细介绍这些产品。

双音PD（KP-2系列）

迪睿合的 2 音 PD（双色光电二极管）具有独特的设计。它将具有不同带隙的硅基和铟基 GaAs 光电二极管组合在同一封装中。这可以在单个光轴上实现 400-1700 nm 的宽波长范围内的检测。

材料成分：
・ 硅基光电二极管：可见光/近红外区域 （400-1000 nm）
・ 基于 InGaAs 的光电二极管：红外/近红外区域 （900-1700 nm）

葡萄糖和血红蛋白等血液生物标志物会在特定波长下发生反应。这需要在较宽的光谱范围内进行检测。通过这项创新，我们实现了在单个封装设备中同时检测多种生物标志物。此前，每种标志物都需要单独的传感器。*水在1450nm处有强烈吸收，葡萄糖在1600nm处有强烈吸收，氧合血红蛋白在940nm处有强烈吸收，还原血红蛋白在660nm处有强烈吸收。

此外，这种单封装实现实现了超紧凑的尺寸：1.1 mm 厚、4 mm 宽和 5.7 mm 长。这种小型化使其能够集成到智能手表等可穿戴设备中。这款 2 色调 PD 代表了材料科学和半导体技术相结合的突破。

这款双音PD专为测量血氧饱和度和一氧化碳水平的脉搏血氧仪以及非侵入式血糖监测仪等设备而设计。由于其波长覆盖范围广，除了医疗保健用途外，它还可能应用于光通信设备和5G通信设备。

SWIR型反射传感器

Dexerials 的另一款医疗和可穿戴应用产品是 "SWIR型反射传感器"。SWIR波长范围为 900-1700 纳米。由于该波长范围容易被水、葡萄糖和血红蛋白吸收，因此在生物传感器应用中取得了进展。

该传感器的主要特点在于其紧凑的封装设计，将发射SWIR光的LED和捕捉反射光的PD集成在一个单元中。另一个显著优势是它能够根据目标生物标志物适应各种波长。

双元件型采用 1450 nm LED 来感测水分含量。三元件型则配备 810 nm 和 1300 nm LED，用于测量血液中的血细胞比容水平。

利用可穿戴设备的生物传感技术正在持续发展。随着传感器技术和人工智能分析的发展，更精准的实时生物数据采集正在成为可能。这些技术创新有望为医疗进步带来新的可能。

在 Dexerials，我们旨在通过开发增强各种传感器功能的产品来为全球健康做出贡献。