非均勻介質中如何求光程

隨著技術的發展，今天糖尿病患者對自身血糖的檢測已經有了很好的解決方案。但同時，現有的檢測方案也存在著一些不足。比如耗材使用過多，檢測不連續，需要侵入檢測等等。毋庸置疑的，微創（minimally-invasive）或無創（non-invasive）檢是未來血糖檢測的目標。微創或無創檢測不僅節省了耗材的費用，更帶來好的血糖檢測體驗。最重要的是，微創或無創檢測為連續血糖檢測提供了技術支援。連續血糖檢測對高血糖和低血糖患者都有重要意義。當檢測到血糖過低時，檢測裝置發出警報，暫停胰島素輸注直至葡萄糖恢復到安全水平，大大降低低血糖的風險。精確的連續血糖監測技術是胰島素-血糖水平動態調控的技術基礎。

侵入式血糖檢測儀

根據世界衛生組織（WHO）的資料，目前世界上有約4。5億糖尿病病例，到2045年，這一數字可能達到7億。未來的若干年，對非侵入式的連續血糖檢測裝置的需求將會成為主流。

本文介紹一些重要的發展中的技術，未來這些技術會成為商品化的基石並走進低血糖或高血糖患者的生活，為他們的生活帶來便利和質量的提升。

概述

非侵入性，無痛無感，低感染風險的血液葡萄糖檢測技術一直是科學家們研究的重點。通常將它們分為兩大類：微創（MI）和無創（NI）。MI技術是那些需要從體內提取某種形式的液體（例如淚液或組織液），透過酶促反應測量葡萄糖濃度的技術。 NI技術依靠某種形式的輻射，而無需接觸任何體液。

葡萄糖檢測技術按照物理原理可分為四個子類：光學，熱，電和奈米技術方法。

廣義上講，光學技術包括，為在光譜的紅外和可見光波段中工作而開發的所有技術，因為它們在穿過生物介質時會利用光的反射，吸收和散射特性。

熱方法透過檢測與葡萄糖分子適當的代謝熱產生相關的生理指標來監測葡萄糖，因此，它們在遠紅外波段起作用。

電方法利用少量的電磁輻射，電流和超聲波，利用低頻處葡萄糖的介電特性。

最後，新興的奈米技術也在嶄露頭角。

表面等離子共振（Surface Plasmon Resonance， SPR）

表面等離子共振的原理是，透過輻射到高導電性和化學惰性金屬薄層（比如金）上的電磁場激發集體相干電荷密度波（稱為表面等離子極化（surface plasmon polaritons， SPPs））。該現象可觀測的結果是，產生一個對周圍介質的折射率變化（SPR共振峰）高度敏感的呈指數衰減的電場。最終的原理是，人們可以透過測量介面中折射率的細微變化以及共振頻率的相應位移（稱為SPR位移）導致的SPR反射強度曲線中的強度損失，來表徵與感測介質中葡萄糖水平的變化。

常用的系統採用Kretschmann結構，該設計由鐳射源透過稜鏡輻射具有橫向磁偏振（也稱為p偏振）的單色光束組成。在非共振條件下，光束在到達稜鏡-金屬介面時會被全反射，而不會與金屬層上的自由電子發生共振，僅留下由垂直於表面的電子元件構成的漸逝場。但是，在特定的入射角（稱為共振角R）下，入射光的動量等於自由電子的等離子體振盪所產生的電磁場的動量，從而導致自由電子和振盪漸逝場的耦合。透過這樣的耦合，光子透過金屬層被吸收，從而導致反射功率急劇下降。鑑於這種光子的吸收率與介質的折射率高度相關，所以在很大範圍內，共振角表徵了被測樣品。

SPR技術在過去幾年中有了長足的發展，但主要集中於臨床樣品的分析，而由於對低濃度葡萄糖的敏感性不足，因此無創檢測葡萄糖的願景暫時被遺忘了。現在新的研究旨在透過將對葡萄糖具有良好親和力的不同蛋白質固定在金屬層表面上，從而提高SPR的特異性。藉助這種方式，當葡萄糖溶液與感測器表面接觸時，蛋白質特異性地吸收葡萄糖分子，使介面的折射率與樣品中葡萄糖的濃度成比例的變化。這樣的特性使得其適合作為MI技術的基礎。

共振、吸收、反射

熒光

熒光技術基於吸收不同能級的輻射後在特定波長下發出熒光的原理實現化學檢測與分析。該技術利用了稱為熒光團的特殊分子，該分子發出具有與待測分析物濃度成比例的特定特徵的熒光。就葡萄糖而言，儘管某些熒光團可以直接與葡萄糖分子結合，但與低選擇性，不可逆性，干擾和分析物耗竭有關的問題使得必須使用稱為受體的中間分子，因為它們可以更有效地與葡萄糖結合。受體可以具有不同的型別和性質，包括酶，硼酸衍生物，葡萄糖結合蛋白（glucose binding proteins， GBPs）甚至工程合成材料，例如碳奈米管和量子點（QD）。

在幾種現有技術中，基於競爭性結合分析的熒光共振能量轉移（FRET）受到了廣泛關注，因為它利用了兩個光敏分子之間的能量轉移，即供體（熒光團）和受體。原則上，當葡萄糖與受體分子結合時，受體與供體的連線被破壞，導致電子共享減少和熒光增強。但是，在沒有葡萄糖的情況下，供體和受體之間的電子轉移增加，導致熒光減弱。於是，人們可以透過強度或衰減時間來實現對熒光的監測。因為熒光壽命是每種分析物所特有的，即使它們都以完全相同的波長髮光，也可以區分不同的物質。

同時熒光技術也適用於基於透皮感測的葡萄糖監測裝置，包括接觸式的晶狀體和未連線的換能器插入組織（皮下植入物）。

熒光顯色技術

光學極化/光學偏振法（Optical Polarimetry）

光學偏振法利用了“手性分子”的概念，即可以旋轉偏振光平面的分子。葡萄糖是一種手性分子，因此，它可以使光束的偏振平面沿順時針方向旋轉一個角度。旋轉量與分析物的濃度，光程長度，溫度和鐳射束的波長成正比，通常在NIR的上部區域和可見光的下部區域之間（約為780~400 nm）。

不湊巧的是，由於諸如生理水平葡萄糖的最小旋光度，存在的其他活性分子以及在面板和組織中的大量光散射，使得在面板中使用光學偏振法是不可行的。然而，由於眼球優異的光學效能，可以將其用於眼前房的房水處。這種方案在光到達眼睛之前使其發生偏振，然後分析反射光以確定其旋轉角度和強度。如果可以解決諸如對溫度和運動的敏感性等問題，這種技術就有可能檢測少量的葡萄糖，成為一種有效的無創檢測方案。

光學相干斷層掃描（Optical Coherence Tomography， OCT）

OCT是一種基於具有相干輻射的低相干涉測量原理的成像技術，它能夠以微米級的解析度檢測生物組織的光學特性變化。儘管OCT最初是為眼睛的層析成像而開發，但如今它可以以可接受的準確度和特異性測量透過面板的葡萄糖濃度。該技術主要採用相干光輻射面板，該相干光的波長在800到1300nm之間。然後將生成的反射的散射輻射與參照光相結合，以產生可以由光電探測器監測到的干涉訊號。因此，如果葡萄糖濃度增加，它將增加折射率並減小散射係數，從而導致介質和參照物之間的折射率降低不匹配，這種不匹配的程度與葡萄糖濃度成正比。

近紅外光譜（Near-Infrared Spectroscopy）

由於分子的振動和分子內部鍵的旋轉，近紅外光譜（NIRS）技術依賴於780 nm至2500 nm範圍內波長的吸收和散射。它使用三種基本的測量模式：透射率，反射率（包括漫反射率）和干涉。不管是哪一種都依賴於相同的核心技術，即色散光譜儀。

在透射模式下，光源將多色光照射到樣品上，另一側的衍射光柵將透射的輻射分成各自的組成波長，然後分別被檢測器和計算機檢測和分析。在反射模式中，衍射光柵和檢測器位於光源的同一側，以檢測鏡面反射，即從樣品以一定角度反射。同樣，干涉模式也可以感應到樣品反射的光，但是它在入射光束和反射光束之間使用了擋光板，將檢測器的視野與照明區域分開。所有模式都適用於測量樣品中的吸收/透射率和散射，而採用其中一種模式的選擇僅取決於介質的型別。

紅外發生器

儘管與其他區域（例如中紅外MIR）相比，在NIR波段中葡萄糖沒有呈現出很強的吸收，但水也不會吸收很多NIR輻射。其結果是多達95％的光可以穿過角質層和表皮到達血液濃度較高的區域，而不受面板色素沉著的影響。

中紅外光譜（Mid-Infrared Spectroscopy）

中紅外光譜（MIRS），也稱為指紋光譜，是一種振動光譜技術。它依賴於NIR光譜的相同系統結構和吸收原理，但用於中紅外區域，大約在120 THz（2。5μm）和30 THz（10μm）之間。由於更長的波長，組織中MIR輻射的散射較少，從而導致更高的吸收率和光譜中特定的清晰吸收線，尤其是在8-10μm之間。此特徵意味著分子在MIR區域具有獨特的光譜，使其成為分子鑑定的理想選擇。

令人感到遺憾的是，該區域的水對輻射的吸收率很高，無法使MIR訊號穿透組織（大約100μm）並有效作用超過幾微米距離。因此必須使用強大的MIR發射源，例如量子級聯鐳射器，並使用互補技術，例如光聲光譜法，以提高對葡萄糖檢測的敏感性。

拉曼光譜（Raman Spectroscopy）

拉曼散射根據拉曼效應確定單色光的散射程度。當單波長光擊中目標時，它會產生向各個方向傳播的散射光。這種輻射的大部分（稱為彈性散射或瑞利散射）具有與入射光相同的波長，而其餘的只是少量具有不同波長的散射輻射，稱為“非彈性散射”或“拉曼散射”。這樣的波長差就是拉曼位移，它代表了所研究分子的初始和最終振動狀態之間的差異。

拉曼光譜法依賴於分子內的旋轉和振動狀態，可用於檢測特定的吸收帶並量化相應的分子量，這意味著拉曼光譜中的吸收峰位置顯示了每個官能團中分子的的振動模式。這表明不管入射光的波長如何，拉曼位移都相同。

在檢測葡萄糖的目標下，最具代表性的振動模式是那些與C-H拉伸帶（stretching band）相關聯的振動模式，大約在2900cm^-1左右，而C-O和C-C拉伸帶則在800至1300cm^-1之間。拉曼光譜儀的基本配置由一個透鏡組成，該透鏡捕獲部分散射輻射並將其引導至濾光片，以僅讓拉曼散射光被檢測器檢測到。

由於在MIR波段的深度穿透能力較差，儘管存在較寬的光譜特徵，導致被檢測訊號的光譜發生干擾和變化，但大多數使用拉曼光譜法檢測葡萄糖的研究都是在NIR波段的低頻端進行的。

遠紅外光譜（Far-Infrared Spectroscopy）

FIR通常稱為太赫茲（THz）光譜，基於吸收原理，因為弱鍵和重原子鍵之間存在特定的振動和旋轉躍遷，大約在0。3 THz（1000 m）和30 THz（10 m）。FIR光譜通常稱為太赫茲（THz）光譜，基於吸收原理，因為弱鍵和重原子鍵之間存在特定的振動和旋轉躍遷，大約在0。3 THz（1000μm）之間和30 THz（10μm）。該技術仍處於非侵入式葡萄糖檢測領域的起步階段，因為水對太赫茲發射源的吸收較強和發射源功率較低，暫時無法實現。

小結

目前總共介紹了八種非侵入式葡萄糖動態連續監測技術，還餘下十種，因篇幅所限，分為上下兩節。剩下的十種將在下半部分向大家呈現。

引用

Villena Gonzales W， Mobashsher AT， Abbosh A。 The Progress of Glucose Monitoring-A Review of Invasive to Minimally and Non-Invasive Techniques， Devices and Sensors。

Sensors (Basel)

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Rodbard D。 Continuous Glucose Monitoring： A Review of Recent Studies Demonstrating Improved Glycemic Outcomes。

Diabetes Technol Ther

。 2017；19（S3）：S25-S37。 doi：10。1089/dia。2017。0035