光学生物传感器：从指纹识别到电子皮肤
导读
你是否想过，日常科技如何读懂你的身体？清晨，指尖轻触手机屏幕——一束光悄然钻出，像探险家穿越指纹的“山川河谷”，将纹路转化为数字密钥。当你跑步时，手表绿光潜入血管迷宫，随血液舞动，精准捕捉心跳与血氧。这些隐藏的光学生物传感器，正用光的语言与你悄然对话！从指纹识别到健康监测，光学传感器的魔法棒正点开更多生命奥秘。
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有三种方案：
（1）光学屏幕指纹识别：利用光学原理，通过屏幕下CMOS传感器捕捉指纹纹路；
（2）电容式指纹识别：依赖指纹传感器与皮下电解液形成电场，指纹凹凸产生压差变化，实现识别；
（3）超声波指纹识别：发射超声波穿透屏幕，根据指纹反射差异进行识别。
图2：屏幕指纹识别的三种主要方式，图片来源：张森浩
如今，屏下指纹识别多采用光学方案，兼顾成本、集成度与安全。它利用OLED屏幕透光特性，结合小孔和透镜成像，让下方CMOS传感器精准捕获指纹图像，直观展现光学生物传感原理。
光学生物传感的基本原理
光学生物传感的核心在于光与生物组织的互动。光照射人体时，各层组织响应独特：
表层识别：光扫描指纹时，角质层反射部分光线，表皮细胞和黑色素吸收短波光，利用可见光反射差异，快速捕获表面特征，实现指纹解锁。
深层探测：光深入真皮和脂肪层，脱氧血红蛋白吞噬660nm红光，氧合血红蛋白青睐900nm近红外光，水分子吸收970nm红外光，肌肉组织偏好1025nm近红外光。组织复杂结构使光多重散射，近红外光凭借长波长优势，散射降低10-50倍，穿透3-5毫米深度；更深层需增强发射功率，但过高功率可能危害健康。
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；视网膜识别利用近红外光穿透瞳孔，形成血管分布图，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判断组成和浓度。如血氧监测——通过红光和红外光吸收差异计算氧合血红蛋白比例，获取心率和血氧值。
（3）干涉式传感：两束光叠加产生干涉条纹，生物组织微小变化（如血管搏动）改变干涉图案，从而捕获生理活动信息。
从刚性平面到柔性立体的技术突破
人体组织曲面和动态特性对传感提出更高要求。若刚性传感器变得柔软，就能紧密贴合，从“硬质卡片”升级为“可穿戴的光学皮肤”。
材料与结构的柔性化策略
柔性化主要有两种途径：
（1）结构改进：将材料做薄或设计为蛇形曲线，实现可弯曲、可拉伸，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（如银纳米线嵌入硅胶），通过化学改性和多尺度结构调控突破力学限制。尽管光电效率不如刚性器件且易损伤，但为慢病监测等领域提供新工具。
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，制备出共形贴附的光电系统。通过测量血液对不同波长光的吸收，判断容积和流速变化，实现血氧和血压监测。（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
美国斯坦福团队发现食用染料柠檬黄在257纳米和428纳米处强吸收，在红光区域几乎不吸收。根据洛伦兹震荡模型，这种特性通过克拉莫-克若尼关系式提高水的折射率，使光穿透组织，“看透”皮肤。该方法安全可逆：柠檬黄溶液让小鼠皮肤几分钟内透明，生理盐水冲洗后恢复。目前透明深度达3毫米，足以观察生理活动。(该技术仅限动物实验，未进行人体测试，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部神经，探索细胞活动与行为关联。美国西北大学团队开发超薄柔性无线光遗传系统，能与组织共形贴合，结合无线通讯实现光刺激实时控制。（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
生物可降解传感器能在监测后自然分解，无需二次手术。意大利团队开发荧光生物传感器，具有生物相容性和可控降解特性，根据阿霉素浓度变化产生光吸收响应，实现皮下药物浓度实时追踪。这种“用完即消失”特性适用于肿瘤治疗后监测。（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柔性基底。美国斯坦福大学团队开发智能绷带系统，能同时监测生理参数并进行主动治疗，加速慢性伤口愈合。这标志从单一监测向全面健康管理的转变。（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像智能皮肤般与人体深度结合：
运动监测：篮球场扣篮时，柔性光电皮肤实时获取血氧、血压信息；
神经监测：静坐学习时，捕捉脑部活动状态；
多重探测：融合红外光、超声波等技术，穿透皮肤看清血液流动，捕捉器官立体影像；
全息健康：分析汗液光学信号，在智能手表中生成包含荷尔蒙、免疫指标等的“健康全息图”，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——未来戴上智能眼镜，或许就能实时“看见”体内健康指标的流光溢彩。探索更多光学生物传感器的神奇应用，关注科技前沿，共同迈向健康智能未来！
来源：中国光学
编辑：4925
转载内容仅代表作者观点
不代表中科院物理所立场
如需转载请联系原公众号
相关问答
什么是生物式防盗装置?生物式防盗装置介绍-汽车维修技术网
[回答]qcwx_s2()
...生物识别技术中最常用最方便的一种。(2)指纹识别技术_作业帮
虽然唇纹、眼睛里的虹膜视网膜也人人不同,但指纹识别是生物识别技术中最常用最方便的一种。(2)指纹识别技术其实分警用和民用两大类,思路是很不同的。派出所里...
AI也能生成指纹，生物识别系统该如何应对?
根据我的了解,目前,不存在这样的问题。首先,你先假想指纹识别是覆盖传感器拍的指纹照片和内部存储的指纹照片一致性。然后,再想,早起指纹识别是平面黑白的...
为何华为手机中设置的生物识别和密码中的指纹消失了?-ZOL问答
一种情况是先要把所有的手机指纹密码删除掉,再重新录入,设置指纹解锁功能有可能可以恢复功能,另外一种建议就是手机恢复出厂设置也可能会挽救消失的指纹。yekf...
什么是指纹识别-ZOL问答
指纹,由于其具有终身不变性、唯一性和方便性,已几乎成为生物特征识别的代名词。指纹是指人的手指末端正面皮肤上凸凹不平产生的纹线。纹线有规律的排列形成不...
识别指纹什么意思-找法网
识别指纹是指通过技术手段比对或验证指纹信息。分析:在法律上,指纹作为生物识别信息,具有唯一性和稳定性,常被用作身份认证...
主流的生物识别方式指纹、人脸、虹膜、指静脉识别各有什么弊端?都安全吗?
从安全性上排序:指静脉识识别>虹膜识别>人脸识别>指纹识别。下面就列举各种识别方式的弊端:一、指纹识别1.指纹识别易受干扰,容易导致无法识别的情况出现...目...
生物识别设备(指纹解锁)没法使用!!!-MicrosoftCommunity
[回答]由于长时间未得到您的回复,该问题我们会暂时作为归档处理,如果您仍有问题,欢迎随时跟帖回复。如果有其他问题需要提交,也欢迎您再次提问。由于长时...
指纹识别的工作原理
[最佳回答]指纹识别器读取指纹有多种不同方式,其中电容式传感技术的基本原理是,它根据活体手指——请注意“活体”一词——表层上的电阻变化传导指纹图像。皮...
为什么手机生物识别密码没有指纹?
可能是手机中毒了,或者是手机中的系统文件损坏了。这种情况不只是华为手机出现过,在其他的oppo手机中也出现过。一种情况是先要把所有的手机指纹密码删除掉,...
