Technologische Trends bei Lichtsensor für biologische Sensoranwendungen

Basierend auf der Erklärung der Grundlagen der SWIR-Technologie in unserem vorherigen Artikel werden wir die nichtinvasive Biosensortechnologie diskutieren, die als spezifische Anwendung immer mehr Aufmerksamkeit gewinnt.

Weltweiter Anstieg der Zahl von Diabetespatienten

In den letzten Jahren haben die globale wirtschaftliche Entwicklung und die damit einhergehenden Ernährungsumstellungen zu einem weltweiten Anstieg der Zahl von Diabetespatienten und Risikopatienten geführt. Laut der International Diabetes Federation (IDF)* wird die weltweite Diabetikerpopulation von 540 Millionen im Jahr 2021 bis 2045 voraussichtlich auf 780 Millionen ansteigen.
* Fakten und Zahlen zum Diabetes | Internationale Diabetes-Föderation

Der weltweite Anstieg der Diabetesfälle führt zu sozialen Problemen, darunter steigende medizinische Kosten, eine verringerte Lebensqualität und eine erhöhte gesellschaftliche Belastung.

Die Blutzuckerkontrolle ist bei der Diabetesbehandlung entscheidend. Der grundlegende Behandlungsansatz kombiniert Diät- und Bewegungstherapie mit oralen Medikamenten oder Insulininjektionen, um einen stabilen Blutzuckerspiegel aufrechtzuerhalten. Daher müssen Patienten ihren Blutzuckerspiegel im Alltag ständig überwachen. Zu diesem Zweck werden verschiedene Blutzuckermessgeräte eingesetzt.

Herausforderungen bei der Blutzuckermessung: Von invasiven zu nicht-invasiven Methoden

Es gibt zwei Methoden zur Blutzuckermessung. Die erste ist die Blutzuckerselbstüberwachung (SMBG), bei der der Blutzucker in der Fingerkuppe gemessen wird. Die zweite ist die kontinuierliche Blutzuckermessung (CGM), bei der der Blutzucker kontinuierlich mithilfe eines am Arm getragenen Pflastersensors gemessen wird. Bis vor Kurzem waren sowohl bei der SMBG- als auch bei der CGM-Methode in der Regel „invasive“ Verfahren erforderlich, bei denen Nadeln in das Unterhautgewebe eingeführt werden mussten. Mit den Fortschritten in der Sensortechnologie schreitet jedoch die Entwicklung „nicht-invasiver“ Sensoren voran, die den Blutzucker oberhalb der Haut messen können.

Der Übergang von invasiven zu nicht-invasiven Messungen bringt für Diabetespatienten zahlreiche Vorteile mit sich. Der erste Vorteil ist der Wegfall der Schmerzen beim Einführen der Nadel zur Blutentnahme. Obwohl die Nadeln sehr dünn sind und nur minimale Schmerzen verursachen, lassen sich Beschwerden bei jedem Test nicht vermeiden. Dies ist besonders problematisch für kleine Kinder mit Diabetes, die oft Angst vor Spritzen haben, was die Behandlung erschweren kann.

Ein weiteres Problem bei der Blutentnahme ist, dass wiederholte Injektionen an derselben Stelle zu Hautverhärtungen führen können. Daher müssen die Injektionsstellen ständig gewechselt werden. Nicht-invasive CGM-Geräte hingegen messen oberhalb der Haut. Einmal angebracht, ermöglichen sie eine kontinuierliche Überwachung über 10 Tage bis 2 Wochen, ohne Schmerzen zu verursachen.

Der zweite große Vorteil für Patienten ist finanzieller Natur. Bei invasiven SMBG-Geräten müssen Lanzetten und Glukosesensoren für jeden Test ausgetauscht werden. Das Gerät selbst kostet 64,30 bis 96,46 US-Dollar (basierend auf einem Wechselkurs von 155,51 Yen zu 1 US-Dollar im Januar 2025). Die Kosten für Sensor und Lanzette pro Test betragen 0,96 bis 1,29 US-Dollar. Dreimal täglich (morgens, mittags und abends) durchgeführte Tests verursachen jährliche Kosten von rund 128,61 US-Dollar, selbst mit Krankenversicherungsschutz. Nicht-invasive Geräte verzichten auf Verbrauchsmaterialien und erfordern lediglich den Kauf des Geräts. (Die individuellen Kosten variieren je nach Land/Region und Versicherungsschutz.)

Angesichts der weltweit steigenden Zahl von Diabetikern wird der Markt für Blutzuckermessgeräte voraussichtlich deutlich wachsen. Weltweit entwickeln verschiedene Unternehmen derzeit tragbare Geräte mit neuen nicht-invasiven Sensoren, um diesen Markt zu erschließen.

Lichtsensor für die Biosensorik

Die Kerntechnologie nicht-invasiver Biosensoren für tragbare Geräte nutzt optische Eigenschaften wie SWIR, die wir in unserem vorherigen Artikel erläutert haben. (Detaillierte Informationen zu den optischen Eigenschaften finden Sie im Abschnitt „Grundlagen“). Das folgende Diagramm veranschaulicht das Design SWIR-Reflexionssensors von Dexerials.

In der linken Abbildung wird Licht beim Auftreffen auf anorganische Substanzen reflektiert. Im Gegensatz dazu dringt in der rechten Abbildung das Licht durch die Fingerspitze (biologisches Gewebe) und erreicht innere Schichten. Ein Teil des Lichts wird von Wasser und biologischen Substanzen absorbiert und kehrt abgeschwächt zum Sensor zurück. Biosensoren mit optischen Halbleitern messen Licht verschiedener Wellenlängen. Sie erkennen Zielsubstanzen durch Messung der Lichtabsorption.

Bei Dexerials haben wir verschiedene Komponenten für Biosensoren entwickelt, die speziell für die Integration in tragbare Geräte konzipiert sind. Lassen Sie uns diese Produkte nun im Detail vorstellen.

Zweifarben-Detektor (KP-2-Serie)

Der Zweifarben-Detektor von Dexerials zeichnet sich durch ein einzigartiges Design aus. Er kombiniert Si- und InGaAs-basierte Fotodioden mit unterschiedlichen Bandlücken im selben Gehäuse. Dies ermöglicht die Detektion über einen breiten Wellenlängenbereich von 400 bis 1700 nm auf einer einzigen optischen Achse.

Materialzusammensetzung:
・ Si-basierte Photodiode: Sichtbarer/naher Infrarotbereich (400-1000 nm)
・ InGaAs-basierte Fotodiode: Infrarot-/Nahinfrarotbereich (900-1700 nm)

Blutbiomarker wie Glukose und Hämoglobin reagieren auf spezifische Wellenlängen. Dies erfordert eine Detektion über ein breites Spektrum. Dank dieser Innovation ist es uns gelungen, verschiedene Biomarker gleichzeitig in einem einzigen Gerät zu detektieren. Bisher waren für jeden Marker separate Sensoren erforderlich. *Wasser absorbiert stark bei 1450 nm, Glukose bei 1600 nm, Oxyhämoglobin bei 940 nm und reduziertes Hämoglobin bei 660 nm.

Darüber hinaus erreicht diese Einzelgehäuse-Implementierung ultrakompakte Abmessungen: 1,1 mm Dicke, 4 mm Breite und 5,7 mm Länge. Diese Miniaturisierung ermöglicht die Integration in tragbare Geräte wie Smartwatches. Dieser Zweifarben-Detektor stellt einen Durchbruch in der Kombination von Materialwissenschaft und Halbleitertechnologie dar.

Der Zweifarben-Detektor ist für Geräte wie Pulsoximeter zur Messung der Blutsauerstoffsättigung und des Kohlenmonoxidspiegels sowie nicht-invasive Glukosemessgeräte konzipiert. Aufgrund seiner breiten Wellenlängenabdeckung bietet er auch potenzielle Anwendungen in optischen Kommunikationsgeräten und 5G-Kommunikationsgeräten über medizinische und gesundheitliche Anwendungen hinaus.

Reflexionssensor vom Typ SWIR

Ein weiteres Produkt von Dexerials für medizinische und tragbare Anwendungen ist der SWIR-Reflexionssensor. Der SWIR Wellenlängenbereich liegt zwischen 900 und 1700 nm. Da dieser Bereich von Wasser, Glukose und Hämoglobin gut absorbiert wird, findet er zunehmend Anwendung in Biosensor-Anwendungen.

Das Hauptmerkmal des Sensors ist sein kompaktes Gehäusedesign, das sowohl eine LED zur SWIR Emission als auch eine PD zur Erfassung reflektierten Lichts in einer Einheit vereint. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist die Anpassungsfähigkeit an verschiedene Wellenlängen, abhängig vom Zielbiomarker.

Der Zweielementtyp verfügt über eine 1450 nm-LED zur Feuchtigkeitsmessung. Der Dreielementtyp ist mit LEDs bei 810 nm und 1300 nm zur Messung des Hämatokritspiegels im Blut ausgestattet.

Die Biosensortechnologie mit tragbaren Geräten entwickelt sich stetig weiter. Durch Entwicklungen in der Sensortechnologie und der KI-Analyse wird eine präzisere Erfassung biologischer Daten in Echtzeit möglich. Diese technologischen Innovationen dürften neue Möglichkeiten für den medizinischen Fortschritt eröffnen.

Bei Dexerials möchten wir zur globalen Gesundheit beitragen, indem wir Produkte entwickeln, die verschiedene Sensorfunktionen verbessern.