本世紀最大的矽谷騙局之一「Theranos」，曾編織了一個近乎完美的夢想：一臺外型時尚的黑色小盒子，號稱只需指尖的「一滴血」，就能在幾分鐘內完成數百項從癌症到膽固醇的複雜檢測。
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這個願景為何如此誘人？因為它直指現代醫療的核心痛點：昂貴、緩慢、需要大型機臺的集中式實驗室，以及人們對侵入式抽血的普遍恐懼。Theranos 雖然最終被揭穿是一場騙局，但它所揭示的，那股對於微型化、即時、低成本且多功能的個人健康檢測的巨大渴望，卻是真實且迫切的。
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Theranos 神話破滅了，但這個晶片實驗室的夢想，真的無法實現嗎？
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如今，一項橫跨半導體、光學與生物醫學的關鍵技術——矽光子（silicon photonics）——正從截然不同的路徑，試圖用真正的科學，重啟這個未竟之業。
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為了深入解析這場感測革命，我們專訪了兩位臺灣在此領域的頂尖學者：國立臺灣大學電機工程學系特聘教授林清富，以及國立臺灣科技大學電子工程系特聘教授廖顯奎。他們的研究，分別代表了矽光子在血液與呼氣兩大戰場上的前沿突破。
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重返血液戰場
Theranos 失敗的核心，在於它試圖在微小樣本中，執行需要複雜步驟的傳統「化學標記」檢測。而矽光子選擇了另一條路：它利用光的物理特性，即時讀取生物化學反應的結果，從而擺脫了繁瑣的「螢光」或「酵素」標記步驟。
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廖顯奎教授指出，矽光子感測最關鍵的革命性優勢之一，就是「標籤免疫」（label-free）。
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傳統的生物檢測，如快篩或實驗室的酵素連結免疫吸附分析法（簡稱 ELISA），大多依賴「標籤」。實驗者必須先為病毒或蛋白質貼上一個螢光貼紙或酵素旗幟，才能「看見」它。廖顯奎教授所說的標籤免疫，指的正是免除了這層螢光或酵素標記，矽光子感測可藉由折射率變化間接偵測分子結合事件。
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不過，林清富教授也特別補充，在學術上更嚴格來說，這並不代表晶片表面完全沒有任何標記。為賦予感測器「專一性」，我們仍須預先在其表面塗上能抓取特定分子的物質（即探針）。
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具體是如何做到的？答案是利用「微環型共振器」（microring resonator）。
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我們可以做個比喻：想像一個微環，就像是一條被彎曲成環狀的、由光構成的吉他弦。它被設計成只會在一個特定的音高（即共振波長）上發出強烈的光。
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這個機制的運作分為三步驟：
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<li>功能化：科學家先在微環表面塗上只會抓住特定病毒（目標分子）的探針（生物抗體）。</li>
<li>專一性結合：當血液樣本流過晶片，目標分子會被探針捕獲，並「專一性地結合」在微環的感測區表面。</li>
<li>即時偵測：這種分子的結合，會導致微環結構周圍的「有效折射率」發生變化。這個微小的物理變化，會立刻導致光的共振條件改變，使共振波長產生可測位移。晶片就是透過即時讀取這個波長的漂移量，來反推有多少分子被抓住了。</li>
</ol>
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廖顯奎教授解釋，微環的高Q值（高精細度）結構，能將這個極其微小的折射率變化，放大為可被儀器解析的訊號漂移。
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更關鍵的是，此技術可達到多工效果。他強調，矽光子真正的威力在於陣列：「我們可在同一晶片上排列數十至上百個微環，各自功能化不同的探針。」
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想像一個晶片上有 100 條「吉他弦」：1 號弦抓新冠、2 號弦抓流感、3 號弦抓特定癌症標記……這使得晶片能同時執行多目標與校正通道分析。而這項多工的優勢，正是建立在矽光子與 <span data-component="tippy" data-content="Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互補式金屬氧化物半導體）是一種讓晶片裡的開關「成雙成對」運作的技術。它將兩種個性相反的電晶體搭配在一起，就像蹺蹺板一樣，一個導通時、另一個就自動關閉。這種互補的結構，讓晶片只有在真正運算（切換）的那一瞬間才會耗電，平常待機時幾乎不吃電，所以非常適合用來製造手機和電腦裡的處理器。"> CMOS 製程相容的基礎之上。這意味著矽光子感測晶片具半導體製程相容性，可望在晶圓級整合。但廖顯奎教授提醒，生物功能化仍需搭配專用封裝流程，且後段封裝與表面處理仍有瓶頸，使得實際量產良率與成本控制充滿挑戰。
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<div class="jsx-3968805167 relative overflow-hidden"><img decoding="async" class="jsx-3968805167" src="https://www.charmingscitech.nat.gov.tw/backend/wp-content/uploads/2025/12/7-1_670x460.jpg" />
<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">矽光子生醫感測技術用於血液感測，比起傳統做法，可更精準且快速分析樣本，甚至多工處理，同時感測多種疾病、病原體。（此為示意圖，非實際產品）</div>
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另闢呼氣蹊徑
矽光子只能用於血液分析嗎？答案是否定的。林清富教授的研究，提供了另一條更巧妙的非侵入式路徑。
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雖然矽光子能感測液體，但這條路徑面臨著重大的物理與量產瓶頸。他指出，最困難的步驟之一是將光線「耦合」進微小的矽光子波導中。這個過程需要極度的精確率，在生產上相當困難，導致整體產量不大。而這種高昂的製造成本，也限制了液態感測路徑的普及性。
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因此，他的團隊轉向了另一個領域：「中紅外光」（mid-infrared, MIR）的光譜學應用 。
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這項技術的核心，是讀取「分子的指紋」。
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他說明，不同的分子，例如二氧化碳、甲烷、一氧化碳，其化學鍵的震動能量各不相同。而每一種獨特的震動能量，都恰好會吸收特定波長的中紅外光 。因此，中紅外光的光譜，就像是每個分子的獨特指紋。
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林清富教授進一步解釋，這套光譜學的運作機制可分為三步驟：
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<li>發射：透過光源發出特定波長的中紅外光。</li>
<li>吸收：當這道光穿過樣本（例如，我們呼出的氣體），如果氣體中含有對應該波長的分子，光就會被吸收。</li>
<li>偵測：偵測器會發現穿透出來的光減弱了。透過偵測這種減弱的程度，就能精確反推出該分子的濃度。</li>
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這項技術最大的優勢，就是他強調的非侵入式檢測。其殺手級應用，便是「呼氣識病」。
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「不同氣體對應不同的生理狀況」，林清富教授舉例，「像是甲烷對應到腸胃病，呼氣中濃度超過特定標準，就可以判定可能有腸胃疾病問題。」
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此外，這套系統也能實現多工檢測。林清富教授表示，利用不同症狀對應不同波長的特性，他們可以同時做多個疾病檢測。透過整合如「雷射陣列」或「光梳」等多波長光源、或多通道偵測器，可同時分析多組波長。這意味著，在一口氣中，就能完成多項關鍵生理指標的篩檢。
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<div class="jsx-3968805167 absolute w-full left-0 bottom-0 p-4 text-white text-[13px]" style="background: rgba(0, 0, 0, 0.66); display: block; line-height: normal;">透過呼氣就能檢測多種疾病不是夢，矽光子晶片將可精準分析呼出的氣體，並對應到不同疾病，實現非侵入式且快速分析的願景。（此為示意圖，非實際產品）</div>
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矽光子應用於生醫感測所面臨的高牆
Theranos 之所以是騙局，正是因為它宣稱輕易解決了連頂尖科學家都頭痛的難題。那矽光子真的有這麼神奇，可以解決 Theranos 無法解決的問題？
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事實是，無論是透過血液還是呼氣感測，矽光子要從實驗室走向現實，也必須面對極高的科學障礙。
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從血液感測來說，廖顯奎教授直言，最大的技術挑戰來自複雜樣本。血液中充滿了血漿蛋白、脂質，它們會黏附於表面，造成背景漂移、假陽性，這就是所謂的「非特異性吸附」（biofouling）。這不僅是 Theranos 無法克服的物理極限，也是當今所有血液感測晶片必須面對的首要挑戰。
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此外，血液感測所用的微環對溫度極為敏感。他強調，晶片上零點幾度的溫度飄移，就可能被誤判為疾病訊號，因此嚴謹的溫控；增設一組可以即時消除環境背景雜訊的「參考環」；或是透過覆蓋一層特殊聚合物抵銷溫度飄移，達到「溫度補償」（athermal design）作用，都是成敗關鍵。
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廖顯奎教授也坦言，在靈敏度上，目前微環感測（約 pg/mL 至 ng/mL 級距）尚未能全面超越傳統 ELISA 檢測（可達 fg/mL 級）的最低偵測極限。此外，其他如因介面對不準造成光能量耗損的「光耦合損耗」，與因光子非同時抵達，不可避免的「散粒雜訊」（shot noise）等物理限制，也都會進一步影響量測的精確度。
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而在呼氣感測上，挑戰同樣嚴峻。林清富教授指出，呼氣檢測有其專一性的挑戰，當不同分子的光譜很接近時（例如甲醇與丙醇），就容易干擾，造成誤判。其解方在於建立嚴謹的判斷標準：「同一個症狀透過多個波長判斷，利用多重光譜來交叉驗證。」
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不過專一性問題解決後，靈敏度又是另一大難題，因為有些疾病對應呼氣中的關鍵分子濃度極低。林清富教授坦言：「有些氣體的量滿小的，要偵測到如此微小的濃度難度較高，會需要整合幾個技術，包括有效減少雜訊干擾。」此外，廖顯奎教授補充，用矽半導體技術偵測中紅外光，運用的機制與過去的半導體能隙概念不同。且由於純矽在長波長（&gt; 8 μm）的吸收強烈，實務上多需整合矽鍺（SiGe）、氮化矽（SiN）或矽基鍺（Ge-on-Si）等異質材料平臺。
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廖顯奎教授也點出，專家學者正透過如「腔體增益」、「氣體預濃縮」或「雙腔差分量測」等技術，來進一步提升系統的靈敏度。
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例如美國國家標準暨技術研究院（NIST）的 JILA 實驗室便宣布其新型的光梳呼吸分析儀（comb breathalyzer），已能將靈敏度提升一千倍，以偵測這些極微量的疾病標記。
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矽光子生醫感測，臺灣有既有優勢
重回「惡血」的夢想：Theranos 對微型即時檢測的渴望是正確的。如今，矽光子技術正透過多種方式提供紮實的科學解方，而本文所聚焦的血液微環與呼氣光譜，便是其中極具代表性的兩條探索路徑。
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廖顯奎教授展望，矽光子感測的未來，將從單一的病毒偵測，延伸至「代謝健康面板」，可一次觀察多項慢性病、發炎與內分泌相關指標，與居家健康與長照密切結合。
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這正是臺灣的絕佳機會。兩位教授均指出臺灣的獨特優勢：我們不僅有林清富教授所提的完整產業鏈與消費性產品製造基礎；廖顯奎教授更強調，臺灣擁有「半導體－封裝－模組一條龍」的頂尖生態 ，從 TSMC 矽光子平臺到 ASE 先進封裝，輔以健全的醫學中心體系與臺灣生物資料庫來支援臨床驗證。
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展望「一滴血」或「一口氣」的革命，從來都不是靠一個黑盒子或一位天才，而是仰賴橫跨光學、半導體、化學、臨床醫學，甚至是法規制定的紮實工程。在這場競賽中，臺灣已憑藉成熟的晶圓製程與臨床驗證的潛在優勢，穩健地站上起跑點。
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（客座總編輯｜國立臺灣科技大學光電工程研究所 李三良 講座教授；研究顧問團隊｜國立臺灣大學電機工程學系特聘教授林清富、國立臺灣科技大學電子工程系特聘教授廖顯奎；責任編輯｜曹盛威、洪孟樊）