Cambridges 10-Dollar-Spektrometerchip zielt auf Biomarker-Messung in Wearables

Ein Team der University of Cambridge und ihrer Ausgründung GlitterinTech hat ein gehäustes Nahinfrarot-Spektrometer entwickelt, das rund 10 US-Dollar kostet. In den berichteten Tests des Teams erreichte oder übertraf es bei mehreren Messungen Laborgeräte. Die Arbeit erschien in Nature Photonics (Jahrgang 20, Heft 6, Seiten 664–672) und ist seit dem 15. April 2026 online; in diesem Monat wird sie erneut verbreitet. Das Versprechen ist ein Wearable, das die Blutchemie allein aus Licht abliest. Die Daten stützen die Optik weit stärker als die Medizin.

01Die Transformation in der Optik

Miniaturspektrometer müssen meist bei Bereich, Auflösung oder Genauigkeit Abstriche machen. Nach Angaben der Autoren beschränken sich miniaturisierte Varianten häufig auf die grobe Identifikation charakteristischer Peaks und taugen nicht für die Metrologie. Dispersive Konzepte brauchen Weglänge, um Wellenlängen zu trennen. Fourier-Transform-Konzepte benötigen bewegliche Teile. Rechnerische, „rekonstruktive“ Konzepte tasten das Spektrum über viele verwürfelnde Filter ab und lösen anschließend ein schlecht konditioniertes inverses Problem, was sie anfällig für Rauschen und Kalibrierdrift macht.

Das Cambridger Bauteil, das die Autoren als Faltungsspektrometer bezeichnen, umgeht dieses inverse Problem. Es wendet das Faltungstheorem mithilfe sich wiederholender optischer Komponenten (unsymmetrische Mach-Zehnder-Interferometer oder Mikroringresonatoren) direkt auf das einfallende Licht an; schnelle Fourier-Transformationen stellen anschließend das Spektrum wieder her.

Die umgesetzte Version kaskadiert vier Stufen unsymmetrischer Mach-Zehnder-Interferometer (MZI) auf dem photonischen Chip. Die Autoren beschreiben das als Kompromiss zwischen Auflösung, Platzbedarf und Steuerungsaufwand. Ein unsymmetrisches MZI hat eine periodische spektrale Antwort. Sein freier Spektralbereich hängt vom Gruppenindex und vom Längenunterschied der Arme ab. Die Stufen haben unterschiedliche Perioden, sodass ihre kombinierte Antwort eine eigene zusammengesetzte Periode besitzt, die in der Abbildung der Veröffentlichung bei 420 cm⁻¹ liegt.

Wird auf die Stufen eine proportionale Phasenmodulation angewendet, verschiebt sich die überlagerte Systemantwort über den Spektralbereich. Die Photodetektor-Messwerte bei jeder Verschiebung sind damit eine zyklische Faltung des einfallenden Spektrums mit dieser Antwort. Da die Faltung im Fourier-Raum zur Multiplikation wird, ist die Rekonstruktion des Spektrums ein linearer Schritt: eine schnelle Fourier-Transformation. Diese Linearität erklärt die behauptete Rauschtoleranz und den geringen Rechenaufwand.

Das Skalierungsargument lautet, dass die Antwort periodisch ist und sich die Bandbreite deshalb nach Ansicht des Teams theoretisch nahezu unbegrenzt erweitern lässt. Zusätzliche kaskadierte Stufen können die Auflösung dagegen exponentiell steigern. Beides bleibt theoretisch. Die gehäuste Einheit hat vier Stufen und eine Bandbreite.

02Was tatsächlich gebaut wurde

Der Chip nutzt eine Siliziumnitrid-Plattform. Siliziumnitrid ist im Bereich von 1.200–1.700 nm transparent und lässt sich in etablierten photonischen Foundry-Prozessen fertigen. Laut Veröffentlichung stützen gekrümmte Richtkoppler die extrem große Bandbreite. Die berichteten Spezifikationen:

• Bereich: 5.900 bis 8.300 cm⁻¹, also etwa 1.200 bis 1.700 nm, eine Bandbreite von 2.400 cm⁻¹.
• Gehäuse: 4,8 × 6,2 × 0,6 cm³, 16,5 g und Gesamtkosten in der Größenordnung von 10 US-Dollar. Die Kostenaufstellung steht in Supplementary Table 1 der Veröffentlichung.
• Geschwindigkeit: unter 0,4 Sekunden für Messung und lokale Verarbeitung.
• Temperatur: Betrieb von −20 °C bis 80 °C, laut Darstellung der Universität zu der Arbeit.

Eine Anmerkung zur „Handgelenkgröße“: 4,8 × 6,2 cm ist ein Prototypenmodul, keine Smartwatch-Komponente. Es mit Lichtquelle, Hautkontaktoptik und Akku in ein Uhrengehäuse zu integrieren, ist noch künftige Ingenieursarbeit. Die Veröffentlichung selbst formuliert, die Arbeit zeige das Potenzial für „portable und/oder tragbare“ Metrologie.

Zum Vergleich: Andere Gruppen haben mit kaskadierten rekonstruktiven MZI-Konzepten sehr feine Auflösungen erreicht. Ein früheres Design mit programmierbarem Schaltkreis meldete unter 10 pm Auflösung über mehr als 200 nm Bandbreite bei 729 Abtastkanälen. Das Cambridger Design zielt auf einen anderen Punkt: mäßige Auflösung, sehr großer Bereich, einfache Rekonstruktion und niedrige Kosten.

03Ergebnisse im Labor

Bei Feststoffen klassifizierte das Gerät Pharmazeutika, Kaffee, Mehl und Tee mit einer Erfolgsquote von 100 %. Das Abstract nennt außerdem Kunststoffe. Bei Flüssigkeiten vermaß das Team wässrige Lösungen von Ethanol, Laktat und Glukose sowie organische Lösungen von Ethylenglykol in Isopropanol bei Konzentrationen von 0,1 % bis 40 %, mit 80 Wiederholungen je Konzentration. Ein vortrainiertes Support-Vector-Regressionsmodell verfolgte die Glukoselösung in Echtzeit mit einer Zeitauflösung von 4,9 s auf Systemebene. Das Team berichtet von einer Konzentrationsgenauigkeit von etwa 0,01 % und damit vor kommerziellen Laborspektrometern in diesen Experimenten.

Zu diesen Zahlen gibt es zwei Vorbehalte. Eine Klassifikationsrate von 100 % bei einer Handvoll Materialklassen zeigt, dass sich die Spektren trennen lassen. Über die Verallgemeinerung auf die Variabilität realer Produktionslinien sagt sie wenig. Und „besser als Laborgerät“ gilt relativ zu den konkreten Instrumenten und Protokollen, die die Autoren gewählt haben.

04Biomarker und die klinische Lücke

Die Demonstrationen im Gesundheitsbereich sind die Schlagzeile. Das Abstract nennt nichtinvasive mittlere Fehler von 2,49 % bei der Hautfeuchtigkeit, 1,70 mg/dL beim Blutalkohol, 0,81 mmol/L beim Blutlaktat und 0,36 mmol/L bei der Blutglukose. Dieser Glukosefehler entspricht nach üblicher Einheitenumrechnung grob 6,5 mg/dL; das ist meine eigene Rechnung, keine Angabe aus der Veröffentlichung. Die Mitteilung aus Cambridge nennt als mögliche Anwendungen von der Hydratationsbewertung bis zu Warnungen vor Trunkenheit weitere Felder.

Die Physik erklärt, warum das schwierig ist. Wie die Autoren anmerken, kommen Blutlaktat und Glukose nur in geringen Konzentrationen vor und haben sich überlappende Absorptionsbanden. Unabhängige Arbeiten zur Gewebespektroskopie stellen fest, dass Glukose im Band von 1.400–1.700 nm zwar absorbiert, die Streuungsänderung das Glukosesignal aber weiterhin dominiert. Zuverlässige Modelle müssen Glukose von Streuungs-, Hydratations- und Temperatureffekten trennen. Ein breites Fenster von 1.200–1.700 nm gibt einem Regressionsmodell mehr spektrale Merkmale an die Hand, und genau darauf beruht das Argument für diesen Chip.

Die Studie zeigt auch, wie weit das Ganze von einem Medizinprodukt entfernt ist:

• Glukoseverfolgung: Die Veröffentlichung berichtet von einer Langzeitverfolgung der täglichen Glukoseschwankungen bei einem einzelnen Probanden. Zudem zeigt sie die Glukoseveränderung bei drei Probanden während oraler Glukosetoleranztests.
• Übertragbarkeit: Die Autoren geben an, dass beim derzeitigen Datenumfang weder das Mehrpersonen- noch das Einzelpersonen-Glukosemodell auf neue Probanden übertragbar ist. Sie führen das auf interindividuelle Variabilität zurück. Ein Gerät, das pro Person gegen Referenzmessungen kalibriert werden muss, ist noch kein nadelfreier Ersatz für den Fingerstich oder ein kontinuierliches Glukosemessgerät.
• Kennzahlen: Der mittlere absolute Fehler ist nicht dasselbe wie die Error-Grid-Analyse und die mittlere absolute relative Abweichung (MARD), die bei der regulatorischen Bewertung von Glukosemessgeräten verwendet werden. Die Veröffentlichung liefert keine Genauigkeit auf regulatorischem Niveau.
• Interessenkonflikte: Der Preprint nennt GlitterinTech Limited als Hauptförderer der Forschung. Die veröffentlichte Arbeit erklärt ein erteiltes chinesisches Patent von GlitterinTech auf das Faltungsspektrometer.

05Wie es weitergeht

Die näherliegenden Anwendungen sind wohl weniger anspruchsvoll als Glukose. Hautfeuchtigkeit, Alkohol- und Laktatverfolgung, Lebensmittel- und Agrarprüfung, Kunststoffsortierung und Identitätsprüfungen bei Pharmazeutika tolerieren geringere Genauigkeit oder lassen sich gegen bekannte Materialien kalibrieren. Günstige Spektrometer wie dieses könnten zudem entlang von Produktionslinien für die kontinuierliche Qualitätskontrolle eingebettet werden.

Die offenen Fragen sind praktischer Natur. Dazu gehören größere Mehrpersonen-Datensätze mit sauberer Kreuzvalidierung über Personen, Hauttöne und Tage hinweg. Dazu gehört die Leistungsaufnahme der Phasenschieber und der Elektronik in einem batteriebetriebenen Gerät. Und dazu gehört die Frage, ob die Auflösung mit vier Stufen für die schmalen Spektralmerkmale der relevanten Biomarker ausreicht. Professor Qixiang Cheng, der das Projekt leitete, formuliert das Ziel so, die Spektrometrie so allgegenwärtig zu machen wie Temperatur- oder Bewegungssensorik. Die Veröffentlichung zeigt, dass die optische und rechnerische Architektur kostengünstig funktioniert, der klinische Nachweis steht jedoch noch aus.