近日，著名的苹果消息灵通人士Mark Gurman发布了苹果的无创血糖传感技术取得重要里程碑。据悉，苹果在无创血糖方面已经有了超过十年的技术投入，目前已经可以实现了在iPhone大小的设备中实现无创血糖监控，有望在未来几年进一步成熟后进入Apple Watch产品中。

糖尿病是由遗传和环境因素共同作用而引起的一组以糖代谢紊乱为主要表现的临床综合征，由于患病人数逐年上升，已成为危害人类健康的第三大杀 手。由于糖尿病目前无法治愈，患者需要长期服药和干预，一旦疏于护理便可引发眼、肾、神经、血管、心 脏等器官的一系列慢性并发症，给患者家庭和社会带来了沉重的负担。血液葡萄糖浓度是临床上诊断糖尿病的有效指标，同时也可作为糖尿病日常控制、代谢综合症进展预测的依据。

过去十多年来，血糖监测行业见证了重大变革——从电化学测试条（electrochemical test strips）向连续血糖监测贴片（CGM patch）转变。2010年至2021年期间，连续血糖监测市场的复合年增长率（CAGR）超过了25%。过去十多年来，血糖监测行业见证了重大变革——从电化学测试条（electrochemical test strips）向连续血糖监测贴片（CGM patch）转变。2010年至2021年期间，连续血糖监测市场的复合年增长率（CAGR）超过了25%。

根据目前公布的资料，苹果无创血糖技术中用到的技术可能是基于激光的荧光技术。该技术的原理是，当激光照射到血管中时，会引发血液的荧光现象，而血液荧光的持续时间和血液中的血糖浓度有关，因此通过检测血液荧光的持续时间就可以实现无创血糖监控。从该技术的原理我们认为该技术中用到的生物传感器有很高的门槛。

生物传感器的发展历程

生物MEMS传感器是指采用以MEMS为代表的微纳制造技术实现生物学应用的传感器、执行器及微系统，其利用生物要素与物理化学检测要素组合在一起对被分析物进行操纵和检测，可提升我们人类对医学的认知水平，为研究疾病状态、开发新款药物、改进手术程序、监测健康状况以及建立人机接口创造新的机遇。穿戴式及植入式生物传感器的关键优点是可连续检测体内某些随时间变化的重要生理或病理参数，例如血氧、血糖、乳酸的浓度及脑电信号等，从而获得更直接、更准确的诊疗效果。

第一次发展高潮：各种物理和化学换能原理被采用，推动领域形成

20 世纪 70—80 年代，一方面，各类生物大分子和生物材料被选作用于生物传感器的分子识别元件，包括酶、抗体、核酸、细胞、组织片、微生物、完好（intact）生物器官（如动物神经触角）等，多种生化和免疫物质（即环境化学物质）得以被快速检测。另一方面，众多物理和化学换能器（transducer）原理被纷纷采用，形成生物传感大家族。其中涵盖了从生物量到各种物理量和化学量的转换，包括电化学生物传感、热学生物传感、半导体生物传感（生物场效应晶体管）、光纤生物传感、压电、质量及声波生物传感等。

第二次发展高潮：新原理生物传感和DNA芯片促进大规模商业化

（1）第二代酶电极获得商业化成功。20 世纪 80 年代，美国YSI公司（Yellow Spring Instruments Inc.）实现了酶电极在食品发酵行业的商业化应用。受到电子行业印刷电路工艺的启发，英国克兰菲尔德大学的专家们在此基础上引入了丝网印刷技术，实现了酶电极的规模化制备。该技术首先用于血糖测定，迅速在医 院普及，并广泛用于高血糖患者居家监护。

（2）表面等离子体共振（surface plasmon resonance，SPR）生物传感器广泛用于生物分子相互作用研究。 在生命科学研究和药物开发中，广泛需要测定（生物）分子相互作用。在SPR 传感器界面上，当入射光发生全内反射时，其光能与器件表面电子云发生共振，共振角度随着器件表面的生物分子与待测分子的相互作用而发生漂移，并呈相关性。

（3）DNA芯片实现基因表达高通量分析。生物芯片（biochips）包括计算机生物芯片、芯片实验室（lab-on-a-chip）和检测芯片。其中检测芯片可以被认为是生物传感的高通量形式。 20 世纪 90 年代中期出现的 DNA 芯片，其微阵列密度高达每平方厘米数万 DNA探针，可一次性地获得全基因组的表达谱图，从而成为生命科学研究的重要工具。

第三次发展高潮：纳米技术被普遍用于提升生物传感性能

21 世纪以来，纳米技术的引入赋予了生物传感许多新的特性，如高灵敏、多参数、微环境应用等。纳米效应包括表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当传感器或传感器组件达到纳米尺度时，这些效应便不同程度显现：在纳米尺寸，传感界面表面原子所占的百分数显著增加，传感器的灵敏度也获得提高。

全球首款Bio-RFID无创血糖检测仪或将上市

来自美国西雅图的一家生物技术公司Know Labs在官方平台发布了推动首款无创血糖监测仪上市的动态。这款名为Know U的装置，基于该公司独家研发的Bio-RFID技术，可实现无血检测血糖值。目前来说，对于糖尿病患者而言，血糖监测成为了最令人头疼的问题，尽管市面上针对血糖值的检测已经推出不少先进产品，但说到最有效且准确的检测方式依然是血检。生物科技公司Know Labs正在推进旗下首款无创血糖监测仪Know U的上市，一旦通过美国食品和药物管理局的临床试验，就能着手准备开始售卖的事宜了。

Know Labs的技术平台Bio-RFID使用无线电波形式的电磁能量来非侵入性地捕获分子特征，这些特征可以转化为生理上有意义的信息和论证。虽然该技术已被证明可以准确测量体内外的几种分析物，但该技术的第一个应用是针对非侵入性血糖监测。

该研究于2021年3月在明尼苏达州罗切斯特的Mayo Clinic进行。其中包括五个实验，旨在证明 Bio-RFID 传感器能够使用随机双盲试验设计非侵入性量化溶液浓度，作为生化溶液的代理。测试的溶液包括异丙醇水溶液、氯化钠水溶液和商用漂白剂水溶液。Bio-RFID传感器收集到的数据是通过该传感器产生射频信号并通过天线阵列测量接收功率。传感器以0.2MHz的间隔扫描1500兆赫(MHz) - 3000兆赫范围，收集7501个频率的值。

在实验中，每一个实验都100%正确识别了测试数据中的溶液。Bio-RFID技术能够检测到低至2000 ppm的浓度——这相当于精确测量0.7毫升水倒入12盎司汽水罐中的差异，有证据表明能够检测到更小的浓度差异。这些体外研究结果经过原理证明，有力地支持该技术在进一步的非侵入性、生理和医学监测中的应用。

现阶段，Know U装置被划分为两种形态，一种是数码配件，另一种则是可穿戴设备，就像智能手表一样佩戴在患者手上，即可按需求测出血糖值。该装置基于Bio-RFID技术，即通过光谱计算传感器发射无线电信号，透过皮肤检测血液中的特定数值得出结果。事实上，类似的装置，或者说计算方法已经出现在不少智能装置上，例如dido F50S Pro，同样提供了24小时无创血糖监测功能，但是否达到医学标准，还存在疑问。

Know Labs在2021年就进行了关于Know U装置监测准确性的实验，与罗氏、雅培和德康旗下的三款不同模式的血糖监测仪进行对比测试，测试结果误差值介于5.3%和6.7%之间。按照要求，误差值低于10%的结果则能够获得认可。这意味着，Know U装置确实达到了与市面上医用血糖检测仪的严格标准，进行临床试验后，这款装置就能获批上市。

苹果无创血糖技术仍待验证

苹果正在研发的血糖监测系统使用一种光谱吸收测量法，让人们无需刺破皮肤，就能用“光”来测量血糖。这项时任苹果CEO乔布斯秘密研发12年的项目在推向市场后，将应用于Apple Watch系列产品中，能省去目前市场中“贴片式”无创血糖监测产品，每7-14天就要更换传感器芯片的“麻烦”。

无创血糖生物传感器需要一个微型激光光源，该激光光源的体积要足够小到能集成到可穿戴设备中，功耗也要足够低，但是同时其激光发射功率又不能太小，否则可能无法提供足够高的信号强度供准确血糖读出。这样的体积－能效比－发射功率三者之间的互相制约将会是该技术最关键的挑战之一。除了光源之外，另一个核心挑战是如何设计无创血糖生物传感器中的读出芯片。为了能准确读出微弱的荧光信号，读出芯片必须能有高信噪比，同时又能够过滤激光光源带来的干扰，而这一切都需要在很小的尺寸内实现，这也为芯片设计带来了很大的挑战。

然而，经过苹果多年的研发，终究无创血糖传感器还是到了一个较为完善的地步，进入量产已经并不遥远。这也将为可穿戴式设备的生物传感器市场注入动力，因为这可望会成为一个全新的市场。

不过也有专业人士认为，这项技术目前来说仍有待验证。赛迪顾问物联网产业研究中心高级分析师徐田雨认为，该项目的主要难点在于，非侵入式方法怎样才能精确分析血糖含量。如果该传感器集成在智能手表中，那么光照区域将仅限于人体腕部，更加增大了这类传感器原理验证及样机研发的难度。“苹果的这个项目，算法是关键。”西安中星测控有限公司总经理谷荣祥对记者表示，算法研发技术难度大，另外光反射也难以实现。基于此，谷荣祥认为，苹果无创血糖监测项目离实用还有一段距离，用于健康检测的难度就更大了。

事实上，苹果的无创血糖监测项目仍在概念验证阶段。徐田雨对记者表示，苹果目前已在人体上测试了这种监测传感器技术，并与静脉抽血和皮肤针刺的毛细血管血样结果进行比对，确认了技术上的可行性。但是，苹果还需要通过改进传感器尺寸以适配智能手表要求，还要确保传感器监测的准确性，这一阶段需要大量时间来进行验证。

总起来说，血糖检测仪的升级换代，在很大程度上要依赖于生物传感器的发展。

在中国，随着经济发展，人们生活水平迅速提高，生活与工作方式改变，疾病谱也发生显著性变化，代谢性疾病、肿瘤、心血管疾病等慢性病成为主要疾病负担。此外，亚健康问题、食品安全问题、环境卫生问题也为全社会 所关注。生物传感以其快速、准确、便携等诸多特点，在慢病监护与管理、POCT、远程医疗与个体化医疗、食品安全与环境污染监测等，将能发挥独特的作用。

生物传感 50 年的持续发展，得益于生命科学、物理学、化学、材料科学和信息技术等多个学科交叉融合。如今，要满足大健康发展的需求，生物传感研究还存在一系列挑战。新时期，合成生物学、人工智能、纳米技术、大数据等新兴学科领域的发展与融合，将可能产生新思想、新原理和新方法，促进生物传感技术难题的解决，并提升生物传感性能、赋予其新的功能和特性。

未来生物传感器面临的挑战，主要是如何把相关的系统小型化，能用体积可以被可穿戴设备容纳的芯片系统所实现。当然其他的挑战也有很多，比如信噪比、能效比和输出功率等，这里需要传感器、模拟电路和数字系统设计等多个领域的交叉优化才能实现。同时，人工智能已经成为许多传感器输出信号处理的首选方案，随着人工智能的演进，未来也势必需要可穿戴设备越来越多地支持传感器相关的人工智能算法。

文章来源： 电子发烧友，雷科技，物联网世界，半导体行业观察