導讀

清晨，你的指尖輕觸手機屏幕——一束看不見的光瞬間從屏幕下方鉆出，像探險家爬過指紋的“高山”和“峽谷”，把凹凸紋路變成手機能看懂的密碼。

當你揮汗跑步時，手表上的神奇小綠光正忙著“捉迷藏”：它鉆進皮膚下的血管迷宮，跟著血液的波浪跳舞，數清你每分鐘心跳的次數，探明你的血液中氧氣的含量。

這些藏在設備里的光學生物傳感器，正在用光的語言和你的身體悄悄聊天！從指紋識別到健康監測，光學傳感器的魔法棒正在點開越來越多生命奧秘。

圖1：指紋識別，圖片來源：Light科普坊/Veer

指尖上的光學密碼

當前的屏幕指紋識別方案共有三種：

（1）光學屏幕指紋識別：利用光學識別原理，通過屏幕下方的CMOS來識別指紋紋路；

（2）電容式指紋識別：通過電容式指紋模塊通過指紋傳感器與導電的皮下電解液形成電場，高低起伏不同的指紋會與傳感器形成不同壓差，從而識別特定的指紋；

（3）超聲波指紋識別：利用超聲波識別原理，超聲波穿過屏幕，根據不同的指紋反射出不同的超聲波來識別特定的指紋。

圖2：屏幕指紋識別的三種主要方式，圖片來源：張森浩

現在的屏下指紋識別多采用光學方案，兼顧成本、全面屏集成度與安全性。該方案利用OLED屏幕的透光特性，再結合小孔成像和透鏡成像，讓屏幕下方的CMOS傳感器可以準確識別屏幕上方的指紋，實現光學指紋識別。這一技術為我們理解光學生物傳感器的工作原理提供了最直觀的例子。

光學生物傳感的基本原理

光學生物傳感的核心工作機制圍繞光與生物組織的相互作用展開。當光照射到人體組織時，不同深度的組織對光有著獨特的“光密碼”：

表層識別：當光照射到指紋（皮膚表層）時，角質層的平滑表面會讓部分光線直接反射，而表皮細胞和黑色素則吸收大量短波長光（如藍光、綠光），因此可以依賴可見光的反射差異，快速捕捉表面特征，實現例如指紋解鎖的應用。

深層探測：隨著光向真皮層和脂肪層深入，靜脈血液中的脫氧血紅蛋白像“挑食怪獸”般吞噬660nm紅光，氧合血紅蛋白更青睞900nm左右的近紅外光，脂肪層中的水分子對970nm紅外光情有獨鐘，肌肉組織則更喜歡吸收1025 nm左右的近紅外光。當光向更加深入的組織穿透時，其復雜結構使光發生多重散射（如同穿過濃霧的燈光逐漸擴散），此時近紅外光（700-1300nm）憑借長波長優勢，散射程度比可見光降低10-50倍，得以穿透至3-5毫米深度（例如肌肉、視網膜等）中，若近一步深入時，高水分含量和致密細胞進一步攔截光線，對此需要增強近紅外光的發射功率才能實現更深層次的探測。但需要注意的是功率過高時則會危害人體健康。

圖3：脫氧血紅蛋白、氧合血紅蛋白、水、肌肉組織對不同波長光的吸收特性，圖片來源：張森浩

圖4：光與人體組織的關系，圖片來源：張森浩

基于不同的測量方法，光學生物傳感可分為三類：

（1）成像式傳感：通過光強分布獲得組織結構圖像。指紋解鎖是最典型的淺層應用，而視網膜識別則利用近紅外光穿透瞳孔，在視網膜上形成光斑。由于視網膜血管的反射和吸收特性，可獲得具有唯一性的血管分布圖，實現身份驗證。

（2）光譜式傳感：利用不同物質對特定波長光的吸收差異判斷物質組成和濃度。典型應用是血氧監測——含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白對紅光和紅外光的吸收程度不同，通過測量吸收差異可計算血液中氧合血紅蛋白比例，進而獲得心率和血氧值。

（3）干涉式傳感：當兩束光疊加時會產生干涉條紋，如同水面波紋相遇形成的圖案。生物組織的微小變化（如血管搏動）會改變光波疊加后的干涉圖案，通過檢測圖案變化可捕獲微小的生理活動信息。

從剛性平面到柔性立體的技術突破

雖然平面光學傳感器已實現基礎應用，但人體組織的復雜曲面和動態特性對傳感技術提出了更高要求。如果剛性的光學生物傳感器可以像創可貼一樣變得柔軟，就能緊密貼合人體組織，從“硬質卡片”升級為“可穿戴的光學皮膚”。

材料與結構的柔性化策略

實現柔性化主要有兩種途徑：

（1）結構方面的改進：一個銅塊是剛性的，而薄的銅箔便是柔性可彎曲的一樣，所以將材料做薄是實現柔性化的一種方式，同時還可以將一條直線變成蛇形曲線，這樣就可以將原本的結構變成可延展、可拉伸的結構。這些方法都通過結構的設計讓原本剛性的物體變成了柔性，為光學器件的柔性化提供了結構改進的思路。

圖5：剛性到柔性結構常用策略，圖片來源：張森浩

（2）材料創新：另外一種思路便是采用本身就具備柔性的材料（例如像織布一樣的將導電的銀納米線穿透到可以拉伸的硅膠里面形成導電網絡）進行光電器件的制備，這類材料在分子結構或微觀形貌上具備天然可變形能力，本身就會像橡皮泥一樣可以彎曲，可以拉伸。

這些材料通過化學改性和多尺度結構調控，突破了傳統剛性材料的力學限制，但現在仍然面臨著光電轉換效率不如剛性器件，長期使用容易造成力學損傷從而使得器件的使用壽命低于剛性器件等，盡管如此，但是這些思路可以為慢病監測等新興領域提供新的工具包。

貼合人體的表皮光電系統

清華大學馮雪教授團隊將傳統發光二極管變得只有10微米薄，通過蛇形連接線與透明柔性基底（PDMS）整合，制備出可與人體自然共形貼附的光電系統。通過測量血液對不同波長光波的吸收情況，判斷血液的容積和流速變化，從而測量血氧和血壓值。（National Science Review, Volume 7, Issue 5）

圖6：柔性光學生物傳感系統的應用：從表皮到植入式，從平面貼合到三維曲面，圖片來源：National Science Review, Volume 7, Issue 5

深層組織的光學傳感技術

美國斯坦福研究團隊發現檸檬黃這種食用染料有個特殊的性質：它在257納米和428納米處有很強的光吸收，而在600納米以上的紅光區域幾乎不吸收。根據洛倫茲震蕩模型，這種強吸收的染料分子在水中就像微小的振子，它們在特定波長的強烈振動會影響水在其他波長下的光學性質。通過克拉莫-克若尼關系式，這種吸收特性能讓水的折射率提高到接近脂肪和蛋白質的水平。這樣，光線就能順利穿過組織，讓我們“看透”皮膚。更重要的是，這種方法安全可逆。實驗證明，檸檬黃溶液能讓小鼠皮膚在幾分鐘內變得透明，用生理鹽水沖洗后又能恢復原狀。雖然目前的透明深度還只有3毫米，但這已經足夠觀察許多重要的生理活動了。(這項皮膚透明成像技術目前僅限于動物實驗，尚未在人體測試過安全性，建議大家不要自行用染料做嘗試，以免對健康造成傷害)（Science 385, eadm6869(2024)）

圖7：皮膚透明化的藝術效果圖，圖片來源：Keyi "Onyx" Li/U.S. National Science Foundation

柔性光學生物傳感器的醫療革命

腦科學精準監測

在神經科學領域，光遺傳學通過光學刺激精準調控腦部神經，探索細胞活動與動物行為的關聯。美國西北大學研究團隊開發的超薄柔性無線光遺傳系統，能與生物組織共形貼合，結合無線通訊技術實現光刺激參數的實時精準控制。（Nat Neurosci 24, 1035–1045 (2021)）

圖8：植入式無線光遺傳學設備，可用于自由活動的實驗動物，圖片來源：美國西北大學

生物可降解監測系統

生物可降解傳感器是近年來的突破性進展，能在完成監測任務后自然分解，無需二次手術取出。意大利研究團隊開發了一款熒光生物傳感器，具有優越的生物相容性和可控降解特性，能根據阿霉素濃度變化產生不同的光吸收響應，實現皮下藥物濃度的實時追蹤。這種“用完即消失”的特性特別適用于腫瘤治療后的藥物代謝監測。（

Sci. Adv.

多模態融合健康平臺

多模態融合健康平臺將光學傳感與其他監測技術集成于同一柔性基底上。美國斯坦福大學研究團隊開發的智能繃帶系統，能同時進行生理參數監測和主動治療干預，加速慢性傷口愈合。這標志著從單一參數監測向全面健康管理的轉變。（Nat Biotechnol 41, 652–662 (2023)）

圖9：人體手臂上的無線智能繃帶示意圖，圖片來源：美國斯坦福大學

總結與展望

未來的光學生物傳感器將像智能皮膚般與人體深度結合：

運動監測：在籃球場飛躍扣籃時，柔性光電皮膚獲取運動過程中的血氧、血壓信息。

神經監測：靜坐學習時，監測神經活動信息，捕獲腦部活動狀態。

多重探測：新一代傳感器融合紅外光、超聲波等多重技術，既能透過皮膚看清血液流動，又能捕捉器官的立體活動影像。

全息健康：通過分析汗液中的光學信號，在智能手表中生成包含荷爾蒙水平、免疫狀態等多維指標的“健康全息圖”，讓每個人都能全面掌握自身健康狀態。

柔性化與透明化的雙輪驅動，正重塑醫療監測范式——未來我們或許只需戴上智能眼鏡，就能實時“看見”體內組織健康指標的“流光溢彩”。

來源：中國光學

編輯：4925

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