芯片级拉曼光谱仪，助力无创血糖仪微型化
2025-06-01 14:27:27 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
这一突破将推动无创血糖监测设备覆盖医院、家庭等多个应用场景，在提升糖尿病患者依从性和生活质量的同时，为糖尿病管理等分子检测领域带来革命性的变革。
用于拉曼光谱的小型光谱仪有可能开辟传感领域的新篇章。拉曼光谱对于材料表征和生物医学诊断至关重要，然而，其微弱的信号和亚纳米分辨率的需求带来了挑战。基于衍射元件的传统光谱仪面临着分辨率和光通量之间的权衡，并且其较大的体积很难集成到可穿戴设备等紧凑型设备之中。傅里叶变换光谱仪（FTS）采用一系列干涉结构并通过计算重建光谱方法来解决上述问题，然而，这种光谱仪通常使用集成移动镜的迈克尔逊干涉仪，因此相对笨重。虽然已有研究工作将基于波导的傅里叶变换光谱仪（FTS）微型化集成至单颗芯片上，但由于单模波导的光通量有限（λ²量级），因此其在拉曼光谱检测方面的能力尚未得到验证。多孔径设计则可以为拉曼光谱等应用实现高光通量，不过该领域的实验研究仍然有限。
据麦姆斯咨询获悉，在一项新的研究工作中，上海交通大学医学院附属瑞金医院医学芯片研究所陈昌研究员及其团队提出了一种基于多孔径氮化硅（SiN）波导的傅里叶变换光谱仪，显著提升了拉曼光信号的采集通量，并通过引入垂直出射光栅（VGC），实现了超紧凑的干涉调频结构，最后还深入研究多种回归算法，对葡萄糖、异丙醇、对乙酰氨基酚、布洛芬等多种物质进行拉曼光谱检测与解析。相关成果以“Scalable Miniature On-chip Fourier Transform Spectrometer For Raman Spectroscopy”为题，发表于国际顶尖光学期刊《Light: Science & Applications》。该论文通讯作者为陈昌研究员、Sarp Kerman博士，第一作者为Sarp Kerman博士。
图1 微型拉曼光谱仪的工作原理
本项研究工作所设计的光谱仪芯片基于CMOS兼容的8英寸（200 mm）SiN晶圆平台制造而成，芯片面积仅1.6 mm × 3.2 mm，具有160个边缘耦合输入孔径，光谱范围为40 nm，分辨率为0.5 nm。实验结果表明，最小绝对值收敛和选择算子（LASSO）回归算法表现尤为突出，最终可实现0.2 nm的光谱分辨率，并且重建结果稳定性极佳。研究人员在波导光谱法方面的工作为微型化、低成本的拉曼光谱仪提供了全新解决方案，在无创血糖监测、稀有矿物质鉴定、药物成分分析、环境污染物监测等非接触式测量中具有极高的应用潜力。
图2（a）8英寸（200 mm）SiN晶圆及光谱仪芯片；（b）多孔径波导傅里叶变换光谱仪示意图；（c）超紧凑干涉仪的横截面示意图及电镜图。
陈昌研究员团队通过将多个输入波导孔径与一系列紧凑型干涉仪相连，使光通量随孔径数量线性增加（图2（b）），在保证光谱分辨率的同时实现了具有高光通量的拉曼光收集。在此方案中，研究人员将光信号整形并聚焦，形成与输入波导阵列相匹配的拉曼光片（图3（a）），并通过边缘耦合器将光耦合进芯片，从而保证高效率的光输入。
为了进一步缩小光谱仪器件尺寸并提升单位长度的光通量，陈昌研究员团队创新性地设计出基于垂直出射光栅（VGC）和金属反射镜的超紧凑、低相位误差的干涉仪（图2b、2c）。这项设计摒弃了传统马赫-曾德尔干涉仪（MZI）所需的分光器、弯曲波导和合束器，大幅降低了器件体积。其工作原理是：前向与后向传播的光在VGC区域垂直输出，相互干涉并形成随波长变化的驻波，从而记录不同干涉结构的波长特性。此外，该干涉仪采用仅支持基模的宽“多模”波导构建光程差，高阶模式在进入干涉结构前被单模波导滤除。这种设计通过减少模式与波导侧壁的相互作用，显著提升了工艺容差，并降低了相位误差。
图3（a）对乙酰氨基酚拉曼光片；（b）FTS光谱仪特征矩阵；（c）商用光谱仪和FTS光谱仪拉曼光谱对比。
干涉仪阵列在每个VGC处输出特征矩阵（图3b）和拉曼响应，采用回归算法可重建拉曼光谱。通过对不同的回归算法进行深入研究，最小绝对值收敛和选择算子（LASSO）回归算法表现尤为突出，可以实现0.2 nm的光谱分辨率，并且重建结果稳定性极佳。基于该优化算法，研究团队成功重建了葡萄糖、异丙醇、对乙酰氨基酚、布洛芬等多种物质的拉曼光谱。与商用光谱仪的测试对比表明，重建光谱的皮尔逊相关系数达0.95（图3c），准确性极高。
展望未来，通过将多重微空间偏移拉曼光谱技术（mμSORS）与本研究开发的芯片级拉曼光谱仪结合，可以实现无创血糖仪核心元件的微型化和低成本化。这一突破将推动无创血糖监测设备覆盖医院、家庭等多个应用场景，在提升糖尿病患者依从性和生活质量的同时，为糖尿病管理等分子检测领域带来革命性的变革。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-025-01861-7
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