一款仅需10美元的新型光学传感器，可能为可穿戴健康监测设备带来实验室级别的精度，有望让人们实现无针血糖监测。该技术还可能彻底改变食品检测、工业质量控制以及环境监测等领域。
剑桥大学的研究人员与GlitterinTech（由同一研究团队创立的初创公司）共同开发出一种新型光学光谱仪，兼具卓越的精度、极小的体积和低廉的成本。这款设备仅有几厘米大小，可以集成到便携式电子产品和可穿戴健康技术中。其潜在应用范围广泛，从实时监测重要健康指标，到识别材料成分、检测化学组成变化等。
光学光谱仪的工作原理是通过分析光线来获取与之相互作用物质的信息。它们是医学、制造业、化学检测和环境研究领域不可或缺的工具。然而，传统上让这类仪器变得更小，往往意味着要牺牲其性能。紧凑型光谱仪通常测量范围有限、分辨率较低或精度不足，因此更适合用于物质识别，而非精确测量。
研究人员相信，他们的新设计可以克服这些局限。这种被称为卷积光谱仪的设备，运用一种名为卷积定理的数学原理，以一种全新的方式分析光线。研究团队表示，这种方法在多个关键方面的表现，超越了现有类型的光谱仪，包括基于光色散、傅里叶变换以及计算重建的设计。
一种以超高精度分析光线的新方法
传统光谱仪通常将入射光分解为其组成波长，或利用复杂的计算来重建其光谱。这款新设备采用了另一种方法，直接对入射光执行一种名为卷积的数学运算。
为实现这一目标，研究人员将具有重复光谱响应特性的光学元件按序排列。这些元件可以包括非平衡马赫-曾德尔干涉仪或微环谐振器。通过按比例调节这些元件，该系统能够以可控的线性方式，将其响应转移到不同波长上。随后利用快速傅里叶变换，精确地恢复出光谱信息。
“关键的突破在于回归数学本身，思考是否存在一种从根本上更简洁的方式来恢复光谱，”该研究的主要作者姚春慧博士说道。“通过直接在光域中运用卷积定理，我们避免了许多一直制约微型光谱仪发展的限制。这使我们能够在紧凑且低成本的系统中，获得高精度、强抗噪能力以及极低的计算开销。”
研究人员利用氮化硅光子平台构建了这款光谱仪，并将其与机载电子设备进行了集成。该设备可在近红外波段（1200至1700纳米）的宽广范围内工作，并能在不到一秒的时间内完成测量数据的采集和处理。
该设备另一个重要优势在于，无需进行重大硬件改动，就能扩展其测量能力。由于该系统采用了重复性的光学模式，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元件，还能以指数方式提升其分辨率。
一款可能改变食品检测与医疗保健的10美元传感器
为了在纯理论测量之外评估这款设备，研究人员在多种材料和物质上进行了测试。测试结果表明，该设备在通常依赖于更大、更昂贵的实验室仪器的应用场景中，展现出了巨大潜力。
在用于识别塑料、药品、咖啡、面粉和茶叶时，这款光谱仪在报告的测试中实现了100%的分类成功率。在测量水基溶液和有机溶液的浓度时，其精度约为0.01%，在这些实验中超越了商用台式光谱仪的性能。
医疗保健方面的演示结果尤为令人振奋。在模拟真实生理环境的条件下，该设备准确测量了多项人体生物标志物，包括皮肤水分、血液酒精含量、血乳酸水平以及血糖水平。
研究人员还在一名参与者身上，针对较长时间段进行了无创血糖追踪的演示。尽管在该技术成为实用医疗产品之前，还需要进行更多测试，但这一发现表明，未来有可能实现无需反复刺破皮肤的血糖监测方式。
“这些生物医学方面的演示尤其令人兴奋，”主导该项目的程启翔教授说道。“这项工作的突出之处，不仅在于实验室中的性能表现，更在于其技术成熟度。姚春慧博士的贡献，对于将一个数学概念转化为一个能够在极端温度和真实环境条件下可靠运行的、完整封装的稳健系统，起到了至关重要的作用。正是这种结合，为该技术的实际应用打开了大门。”
这款传感器还展现出令人印象深刻的温度耐受性。它能够在零下20摄氏度至80摄氏度的范围内持续可靠运行，这对于一款微型光谱仪而言，是一个异常宽广的温度范围。这种耐用性对于可穿戴设备、工厂设备以及户外作业的传感器而言，可能尤为宝贵。
为何更简单的设计可能是一项重大突破
这款新型光谱仪的优势，不仅体现在精度、体积和价格上。其内部设计还减少了分析入射光所需的计算能力。
许多现有的微型光谱仪，依赖于复杂的校准流程和要求严苛的算法来重建光谱信息。当测量数据存在噪声时，这些方法的可靠性可能下降，而且通常需要消耗大量的处理资源。
剑桥团队基于卷积的这种方法，避免了大部分这类复杂性。由于测量过程遵循线性数学关系，该系统能够在使用相对较少计算能力的情况下，快速且稳定地恢复光谱。
“这是一个绝佳的例证，说明精巧的工程设计如何能够释放出真正的影响力，”为光子系统设计和集成做出贡献的理查德·彭蒂教授说道。“这种架构简单、可扩展、便于制造，却能提供足以媲美甚至超越大型仪器的精度。姚春慧博士在整合光子设计、系统集成和实验验证方面发挥了核心作用，正是这些工作使这一切成为可能。”
该技术相对简单的结构，还可能使其更易于实现大规模制造，有望将复杂的光学测量能力，带入那些传统光谱仪因体积过大或成本过高而难以应用的设备中。
将实验室级别的测量能力带入日常设备
研究人员展望了这样一个未来：精确的光学传感将成为日常技术中的常规功能，而不再是主要局限于专业实验室内的特殊手段。
在工业场景中，廉价的光谱仪可以被安装在整个制造设施中，持续检测材料成分和产品质量。类似的传感器也可以用来监测食品的新鲜程度、识别物质成分，并以远超目前实际可行规模的方式分析环境状况。
医疗保健领域同样可能迎来重大变革。紧凑型传感器未来或许能让可穿戴设备测量人体水分水平、检测酒精中毒迹象、追踪与身体健康相关的生物标志物，或为糖尿病患者持续监测血糖水平。
“我们的愿景是让光谱测量技术变得像温度或运动传感一样普及，”程启翔教授补充道。“这项工作表明，高质量的光谱信息不必局限于实验室之内——它可以直接嵌入到人们日常使用的技术产品中。”
随着光子技术变得越来越小巧和先进，这种卷积光谱仪提供了一个充满前景的范例，展示了数学洞见与实用工程相结合，如何能够让复杂的科学仪器变得更简单、更廉价、更易获取。通过将高精度与一款成本仅约10美元的设备相结合，研究人员为新一代智能传感器开辟了一条潜在路径，这些传感器将能够测量我们身体与周围环境中那些隐藏的化学信息。
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