生物传感中SWIR（短波红外）技术的基本知识

什么是短波红外SWIR？了解短波红外技术的基本原理

您听说过 "SWIR（短波红外线）"吗？SWIR指的是红外线光谱中波长较短的光。这种发音为 "swire "的技术现已应用于我们日常生活的各个方面。本文介绍了SWIR这种红外光的基本知识和实际应用。

红外线是指波长比可见光长、比微波炉使用的微波短的电磁波。虽然人类视觉将较长的波长识别为红光，但其上限据称为760-830纳米。超过此波长的电磁波无法被识别为光。因此，它们被称为“红外线”（infra-red），意为“可见光红色区域之外的”。

根据波长范围，红外光可分为近红外（NIR：780-2500nm）、中红外（MIR：2500-4000nm）和远红外（FIR：4000nm-1mm）。本文介绍的短波红外（SWIR，900-1700nm）指的是近红外波段的一部分。下图显示了SWIR在电磁波谱中的位置。
参考：什么是SWIR？| 爱特蒙特光学

SWIR的基本特性和光学特性

光在太空等真空中直线传播，但当它遇到水或空气等物质时，会表现出“吸收”、“透射”、“反射”和“散射”等各种行为。当光照射到某种材料上时，如果该材料高度透明，光就会穿过（透射）并射出。在透射过程中，部分光会被材料吸收并转化为热能（吸收）。如果材料表面像镜子一样光滑，部分光会反射（反射），而如果表面不规则，光则会向各个方向散射（散射）。
我们的眼睛就是通过这种“透射光”、“反射光”和“散射光”来识别万物的颜色和形状的。

这些光行为会根据每种物质的波长表现出不同的特性变化。例如，硅对可见光不透明，但在短波红外SWIR波段则透明。相反，某些类型的玻璃可以透射可见光，但对特定的红外光的透射率较低。利用这些材料特有的光学特性，可以进行各种测量和分析。

SWIR技术的实际应用

• 无线耳机实现
  SWIR短波红外）对水的高吸收特性被应用于无线耳机的佩戴检测传感器。最近的无线耳机配备了“接近传感器”，可以非直接接触地检测物体，并采用了SWIR技术。无线耳机中的接近传感器产生波长约为1300纳米的SWIR。进入皮肤的部分散射光会被水吸收，衰减后的光返回传感器。通过测量这种衰减，传感器可以检测无线耳机是否与生物组织接触。这使得诸如耳机放在桌子上时自动关机，以及仅在佩戴在耳内时自动开机等功能成为可能。
  
• 食品检验应用
  SWIR技术是食品质量控制中重要的无损检测工具。例如，在测量水果含糖量时，SWIR对水分和糖分的高灵敏度使其能够在不损坏水果的情况下测量内部糖分水平。这有助于确定最佳采摘时间并根据甜度对水果进行分级。此外，在食品工厂生产线上，使用SWIR光的相机可以高精度地检测塑料和纸屑等异物，而这些异物很难用可见光检测到。
  
• 医疗设备应用
  SWIR技术正在推动脉搏血氧仪的发展，从而实现更精确的血液成分测量。脉搏氧饱和度仪是一种医疗设备，可通过连接在手指或耳垂上的传感器无创测量血氧水平。通常情况下，健康人的血氧饱和度在 95-100% 之间。
  
  传统的脉搏血氧仪使用两种不同波长的光来测量血氧饱和度（SpO2）：
  
  红光：约 660 纳米
  红外线：约 940 纳米
  
  然而，这些波长无法检测到碳氧血红蛋白 (COHb)。一氧化碳中毒会对健康造成严重损害，因此及早发现至关重要。
  
  碳氧血红蛋白（COHb）在 1500-1700 nm SWIR范围内具有特征吸收光谱，可通过SWIR技术进行测量。最近，基于SWIR的脉搏血氧仪已在美国医疗设施中投入使用，用于诊断一氧化碳中毒疑似患者。

SWIR技术在医疗保健领域的未来潜力

目前医疗保健领域的发展主要集中在用于生命体征传感的SWIR技术上，其小型化和灵敏度的进步使其能够集成到可穿戴设备中。

• 无创血糖测量
  SWIR可以穿透皮肤，并被血液中的葡萄糖分子吸收。这推动了无针血糖测量技术的发展，为糖尿病患者的血糖监测带来潜在益处。
  
• 皮下组织可视化
  利用透射特性的SWIR相机可以非侵入性地观察皮下血管和组织状况，从而有可能提高静脉注射的准确性和早期皮肤癌的检测。
  
• 可穿戴设备生命体征监测
  采用SWIR技术的智能手表和戒指可以持续监测血氧水平等生命体征。
  
• 高精度生命体征测量
  先进的SWIR传感器能够比传统方法更精确地测量生命体征。通过检测生物物质和血流的变化，这些传感器未来有望用于评估压力水平和自主神经系统状态。

SWIR技术有望扩大其在医疗设备和医疗保健领域的应用，并有望取得进一步发展。

迪睿合为医疗设备提供 14 种SWIR型反射传感器，包括脉搏血氧仪和具有生命传感技术的可穿戴设备。

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