Rockley Photonics的血糖监测硅光芯片(续)

上篇笔记(Rockley Photonics的血糖监测硅光芯片)发出来之后，有几位朋友在后台和微信群里提了些问题。小豆芽整理了一下，这里做一些回复。

1. 拉曼光谱检测只需要单一波长

拉曼散射的原理如下图所示，

（图片来自https://integratedoptics.com/Raman-Spectroscopy）

当特定波长的光入射到某种物质上时，光与分子发生相互作用，大部分散射出的光子能量不变，这一过程称为瑞利散射。而很小一部分的光(大约为1e-9)与分子发生非弹性碰撞，光子的能量发生变化，这一过程称为拉曼散射。不同物质的拉曼光谱分布不同，可以作为物质的身份证，如下图所示。

（图片来自https://www.horiba.com/en_en/raman-imaging-and-spectroscopy/）

通过对物质拉曼散射光谱的定量分析，可以得到某种物质的浓度信息。拉曼光谱的强度与波长的四次方成反比，波长越小，拉曼光谱的强度越大。但是由于可见光光谱中存在较强的荧光背景，通过会选取近红外的波长作为拉曼光谱的光源，典型的波长为785nm。下图为532nm光源和785nm波长的拉曼光谱对比，可以看出532nm作为光源时，荧光信号非常强，部分拉曼峰已经淹没在背景信号中。通过会根据所探测的样品，选取合适的入射光波长。

（图片来自https://www.edinst.com/blog/lasers-for-raman-spectroscopy/）

2. 光源采用频率梳的作用

Rockley的ppt中提到他们采用了基于微环的频率梳光源，它的作用有哪些？Rockley的官网上做了一些解释：

1）更高的光谱分辨率

目前的运动手环上采用的是LED作为光谱，单个特定波长的线宽较宽，分辨率较低。而微环的线宽非常小，可以实现更高的光谱分辨率。

2）更大的光功率

由于频率梳光谱是分立的，光功率集中在每个单一频率上，对应的光功率得到提高, 降低了整个系统的功耗。

3）更高的集成度

这一点比较好理解，微环的尺寸较小，并且所产生的光谱覆盖较大的波长范围，不需要使用多个单波长的激光器。芯片的尺寸大小，对于手环来说是非常重要的一个参数。

频率梳方案和传统LED方案的对比，如下图所示。采用频率梳光源的出发点是提高拉曼光谱的分辨率和准确性。

另外在一些文章中提到，采用频率梳光源可以同时检测多种分子。这一点，小豆芽不是很确定。

3. 生物体的拉曼光谱分析

有朋友在后台留言，提出了这个方案的关键是有机体拉曼光谱的特异性与准确度。是否小型化，反而是次要问题。小豆芽搜索了下相关的最新进展，MIT研究组与三星合作，2020年在Science Advances上报道了其通过对猪的活体葡萄糖的实验，从猪耳的拉曼光谱中直接观测到了葡萄糖的拉曼特征峰及其随血糖浓度的变化，如下图所示，

（图片来自https://www.science.org/doi/pdf/10.1126/sciadv.aay5206）

实验中采用的激光波长为830nm，入射光以60度角照射到皮肤，散射光通过90度角接收。该实验打破了先前对于采用拉曼光谱测量血糖浓度的有效性与准确度的疑虑与争论，为该技术的商用化奠定了基础。但是将复杂的光路小型化，并且片上集成到手环内，还有较多的工程问题需要解决。

值得一提的是，在最新的IOS 15系统中，Health中已经添加了血糖的记录，如下图所示。有理由相信，Apple Watch可能会在较短的未来内携带该功能。

以上是对Rockley Photonics血糖监测方案的进一步分析，希望能对大家有所帮助。该技术如果能落地，将会对我们的生活带来巨大的改变。可以想象下，你在品尝冰淇淋的时候，手环提示你血糖偏高了，你该怎么办？

文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望大家不吝指出，欢迎大家留言讨论。也欢迎大家向我提问，小豆芽会尽自己的能力给出解释。