使用电磁特性设计高灵敏度无创血糖监测微波传感器

为何更温和的血糖检测很重要

对于糖尿病患者来说，检测血糖通常意味着针头、指尖采血和不适——有时一天要做多次。本文探讨了一种截然不同的方法：使用类似于路由器中无害的无线电波，从体外感知血糖。作者提出了一种新的掌上型微波传感器，未来可能像手表一样佩戴在手腕上，快速读取血糖水平而无需刺破皮肤。

一种倾听身体的新方式

传感器不是抽取血液，而是“倾听”血液与微波的相互作用。当这些波通过血液时，其行为会根据糖含量略有变化。关键是构建一种对这些变化极为敏感的微小结构。团队在电路板上设计了一种特殊的金属图案，类似于微型无线电调谐到特定频段。当附近血液中的葡萄糖变化时，所调谐的频率会略微上移或下移。通过追踪这种频移，设备可以推断出血糖水平。

塑形波以提高灵敏度

该设备的核心是刻蚀在铜层上的一对八边形环结构。它们并排排列并以相反相位激励，即到达一个环的微波信号与到达另一个环的信号正好相差半圈。这样的有意对抗使得环间的电场在放置血样的小缝隙处被强行压缩。在该区域，电波尤为强烈且高度集中，使其对由不同糖含量引起的血液电学性质的微小变化更为敏感。

从计算机模型到真实血液

为了确保设计在实践中可行，研究人员首先进行了详细的计算机仿真。他们测试了传感器对从远低于到远高于典型医学范围的血糖水平的响应，以及当样本多少变化时响应如何改变。研究团队还建立了一个包含皮肤、脂肪和血管层的人体手腕数字模型，以观察当电波不得不穿过组织而不是仅通过空气或玻璃时，其聚焦效应是否仍能保持。在所有这些虚拟试验中，约5.5吉赫的某一工作频率表现出特别高的灵敏度和稳定性。

将传感器付诸实验

接着，团队制造了物理原型并用真实人血在传感区域上方的微小玻璃小瓶中进行测试。借助能精确测量微波信号的实验室仪器，他们观察到当将血糖水平在80到340毫克/分升之间调节时——覆盖了正常、偏低和偏高血糖范围——传感器的谐振频率如何漂移。频移清晰且几乎呈完美直线：每单位的葡萄糖变化都会引起可可靠测量的频率变化。用来自三位不同志愿者的样本重复测试得到了几乎相同的结果，表明该传感器既准确又可重复。

迈向可穿戴设备的步骤

作者还评估了皮肤厚度和周围组织存在等现实因素对性能的影响。正如预期的那样，必须穿透皮肤和脂肪会在一定程度上降低灵敏度，但并未抹去信号。即便在这些更苛刻的条件下，该传感器的性能仍优于许多先前文献中报道的基于微波的设计。该设备体积小、制造成本低且功耗很低，因而有望未来集成到腕带、智能手表或柔性贴片中。

对日常生活意味着什么

简单来说，这项工作表明，经过精心塑形的无线电波可以在不刺破皮肤的情况下“感知”血糖的微小变化。通过使用一种能将能量精确集中在血流处的巧妙双环布局，传感器能够以异常高的精度检测完整医学关注范围内的波动。尽管要将这一实验室装置转化为舒适的可穿戴产品并在真实日常使用中进行测试还需要更多工作，这项研究指向了这样的未来：糖尿病患者可以像看时间一样轻松监测血糖——无需采血针、无需试纸，疼痛大幅减少。

引用: Jamili, A., Tayarani, M. Design of a microwave sensor for non-invasive monitoring of blood glucose level with high sensitivity using electromagnetic properties. Sci Rep 16, 11863 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41378-6

关键词: 无创血糖监测, 微波生物传感器, 糖尿病技术, 可穿戴健康设备, 电磁感应