光学生物传感器：从指纹识别到电子皮肤
导读：你准备好揭开光与身体的秘密对话了吗？
试想，清晨你的指尖轻触手机屏幕——一束无形之光悄然钻出，如灵巧探险家巡游指纹的“山川沟壑”，瞬间将独特纹路译为专属密码。
当你奔跑挥汗，腕间那道小绿光正玩着“血管捉迷藏”：潜入皮下迷宫，随血液脉搏起舞，精准捕捉每一次心跳与血氧起伏。
这些隐身设备中的光学生物传感器，正用光的语言与你身体窃窃私语！从解锁屏幕到守护健康，光学传感的魔法触角已悄然延伸。
图1：指纹识别，图片来源：Light科普坊/Veer
指尖上的光学密码
当前屏幕指纹识别主要依托三大技术路径：
（1）光学屏幕指纹识别：利用光学成像原理，通过屏下CMOS传感器捕捉指纹纹路；
（2）电容式指纹识别：依托指纹传感器与皮下电解液形成电场，依据纹路起伏差异转换为识别信号；
（3）超声波指纹识别：发射超声波穿透屏幕，根据指纹反射波差异实现精准识别。
图2：屏幕指纹识别的三种主要方式，图片来源：张森浩
如今主流屏下方案多采用光学技术，平衡成本、集成度与安全性。其巧妙利用OLED透光特性，结合成像技术，使屏下CMOS传感器精准读取指纹，为我们理解光学生物传感提供了直观范例。
光学生物传感的基本原理
核心在于光与生物组织的独特交互。当光穿透人体，不同组织层呈现专属“光学指纹”：
表层识别：光线照射指纹时，角质层反射部分光，表皮细胞与黑色素吸收短波蓝绿光，由此通过可见光反射差异快速捕捉表面特征，实现如指纹解锁等应用。
深层探测：随着光深入真皮与脂肪层，脱氧血红蛋白偏爱吸收660nm红光，氧合血红蛋白青睐900nm近红外光，水分子锁定970nm红外光，肌肉组织则偏好1025nm近红外光。当光深入组织，复杂结构引发多重散射，此时近红外光凭借更长波长，散射程度较可见光降低10-50倍，可穿透3-5毫米深度。若需更深探测，则需增强近红外光功率，但需警惕过高功率的健康风险。
图3：脱氧血红蛋白、氧合血红蛋白、水、肌肉组织对不同波长光的吸收特性，图片来源：张森浩
图4：光与人体组织的关系，图片来源：张森浩
基于测量方法，光学生物传感可分为三类：
（1）成像式传感：通过光强分布获取组织结构图像。指纹解锁是典型浅层应用，而视网膜识别利用近红外光穿透瞳孔，依据视网膜血管反射形成唯一血管图，实现身份验证。
（2）光谱式传感：利用物质对特定波长光的吸收差异分析成分浓度。如血氧监测——通过含氧与脱氧血红蛋白对红光、红外光的不同吸收，计算血氧值与心率。
（3）干涉式传感：当两束光叠加产生干涉条纹，生物组织微小变化会改变干涉图案，借此捕获如血管搏动等生理信息。
从刚性平面到柔性立体的技术突破
人体组织的复杂曲面与动态特性对传感提出更高要求。若刚性传感器能如创可贴般柔软，即可紧密贴合肌肤，从“硬质卡片”升级为“可穿戴光学皮肤”。
材料与结构的柔性化策略
实现柔性化主要依靠两种途径：
（1）结构改进：如同铜块与铜箔之别，将材料做薄即可提升柔性；或将直线设计为蛇形曲线，使结构可延展拉伸，为光学器件柔性化提供思路。
图5：刚性到柔性结构常用策略，图片来源：张森浩
（2）材料创新：采用天然柔性材料制备光电器件，如将银纳米线嵌入可拉伸硅胶形成导电网络。此类材料通过化学改性与多尺度调控，突破传统刚性限制，尽管面临光电效率与耐久性挑战，却为慢病监测等领域开启新可能。
贴合人体的表皮光电系统
清华大学冯雪教授团队将发光二极管减薄至10微米，通过蛇形连接线与柔性基底整合，制出可共形贴附的光电系统。通过测量血液对不同波长光的吸收，分析容积与流速变化，实现血氧血压监测。（National Science Review, Volume 7, Issue 5）
图6：柔性光学生物传感系统的应用：从表皮到植入式，从平面贴合到三维曲面，图片来源：National Science Review, Volume 7, Issue 5
深层组织的光学传感技术
斯坦福团队发现食用染料柠檬黄在257纳米和428纳米处有强吸收，而在600纳米以上红光区几乎不吸收。依据洛伦兹震荡模型，其分子振动特性可改变水在其他波长的光学性质，通过克拉莫-克若尼关系式提升水折射率至近脂肪蛋白质水平，使光线穿透组织。该方法安全可逆，实验显示柠檬黄溶液能使小鼠皮肤在几分钟内透明化，冲洗后即可恢复。尽管目前透明深度仅3毫米，已为生理观察开辟新窗。（该技术限于动物实验，请勿自行尝试）（Science 385, eadm6869(2024)）
图7：皮肤透明化的艺术效果图，图片来源：Keyi "Onyx" Li/U.S. National Science Foundation
柔性光学生物传感器的医疗革命
脑科学精准监测
在神经科学领域，光遗传学通过光学刺激精准调控脑神经，探索细胞活动与行为关联。西北大学团队开发的超薄柔性无线光遗传系统，可共形贴合组织，结合无线通讯实现光刺激参数实时控制。（Nat Neurosci 24, 1035–1045 (2021)）
图8：植入式无线光遗传学设备，可用于自由活动的实验动物，图片来源：美国西北大学
生物可降解监测系统
生物可降解传感器是近年突破，能在监测任务完成后自然分解，避免二次手术。意大利团队研发的荧光生物传感器具优异生物相容性与可控降解特性，可根据阿霉素浓度产生不同光吸收响应，实现皮下药物浓度实时追踪。此“用完即消失”特性尤适用于肿瘤治疗后代谢监测。（Sci. Adv.11, eads0265(2025)）
多模态融合健康平台
多模态融合健康平台将光学传感与其他技术集成于单一柔性基底。斯坦福大学团队的智能绷带系统，可同步监测生理参数并主动干预治疗，加速慢性伤口愈合。这标志从单一监测向全面健康管理的演进。（Nat Biotechnol 41, 652–662 (2023)）
图9：人体手臂上的无线智能绷带示意图，图片来源：美国斯坦福大学
总结与展望
未来光学生物传感器将如智能皮肤般与人体深度融合：
运动监测：篮球扣篮时，柔性光电皮肤实时获取血氧血压信息。
神经监测：静坐学习间，精准捕获脑部活动状态。
多重探测：新一代传感器融合红外光、超声波等技术，既能透视血流，又能立体成像器官活动。
全息健康：通过分析汗液光学信号，在智能设备中生成涵盖荷尔蒙、免疫等多维指标的“健康全息图”，让每个人全面掌握自身状态。
柔性化与透明化双轮驱动，正重塑医疗监测范式——未来或仅需一副智能眼镜，即可实时“看见”体内健康的流光溢彩。你是否已迫不及待，想亲身体验这场光学感知革命？关注前沿科技动态，共同迈向健康未来！
来源：中国光学
编辑：4925
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