光学生物传感器：从指纹识别到电子皮肤

导读

清晨，你的指尖轻触手机屏幕——一束看不见的光瞬间从屏幕下方钻出，像探险家爬过指纹的“高山”和“峡谷”，把凹凸纹路变成手机能看懂的密码。

当你挥汗跑步时，手表上的神奇小绿光正忙着“捉迷藏”：它钻进皮肤下的血管迷宫，跟着血液的波浪跳舞，数清你每分钟心跳的次数，探明你的血液中氧气的含量。

这些藏在设备里的光学生物传感器，正在用光的语言和你的身体悄悄聊天！从指纹识别到健康监测，光学传感器的魔法棒正在点开越来越多生命奥秘。

图1：指纹识别，图片来源：Light科普坊/Veer

指尖上的光学密码

当前的屏幕指纹识别方案共有三种：

（1）光学屏幕指纹识别：利用光学识别原理，通过屏幕下方的CMOS来识别指纹纹路；

（2）电容式指纹识别：通过电容式指纹模块通过指纹传感器与导电的皮下电解液形成电场，高低起伏不同的指纹会与传感器形成不同压差，从而识别特定的指纹；

（3）超声波指纹识别：利用超声波识别原理，超声波穿过屏幕，根据不同的指纹反射出不同的超声波来识别特定的指纹。

图2：屏幕指纹识别的三种主要方式，图片来源：张森浩

现在的屏下指纹识别多采用光学方案，兼顾成本、全面屏集成度与安全性。该方案利用OLED屏幕的透光特性，再结合小孔成像和透镜成像，让屏幕下方的CMOS传感器可以准确识别屏幕上方的指纹，实现光学指纹识别。这一技术为我们理解光学生物传感器的工作原理提供了最直观的例子。

光学生物传感的基本原理

光学生物传感的核心工作机制围绕光与生物组织的相互作用展开。当光照射到人体组织时，不同深度的组织对光有着独特的“光密码”：

表层识别：当光照射到指纹（皮肤表层）时，角质层的平滑表面会让部分光线直接反射，而表皮细胞和黑色素则吸收大量短波长光（如蓝光、绿光），因此可以依赖可见光的反射差异，快速捕捉表面特征，实现例如指纹解锁的应用。

深层探测：随着光向真皮层和脂肪层深入，静脉血液中的脱氧血红蛋白像“挑食怪兽”般吞噬660nm红光，氧合血红蛋白更青睐900nm左右的近红外光，脂肪层中的水分子对970nm红外光情有独钟，肌肉组织则更喜欢吸收1025 nm左右的近红外光。当光向更加深入的组织穿透时，其复杂结构使光发生多重散射（如同穿过浓雾的灯光逐渐扩散），此时近红外光（700-1300nm）凭借长波长优势，散射程度比可见光降低10-50倍，得以穿透至3-5毫米深度（例如肌肉、视网膜等）中，若近一步深入时，高水分含量和致密细胞进一步拦截光线，对此需要增强近红外光的发射功率才能实现更深层次的探测。但需要注意的是功率过高时则会危害人体健康。

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

基于不同的测量方法，光学生物传感可分为三类：

（1）成像式传感：通过光强分布获得组织结构图像。指纹解锁是最典型的浅层应用，而视网膜识别则利用近红外光穿透瞳孔，在视网膜上形成光斑。由于视网膜血管的反射和吸收特性，可获得具有唯一性的血管分布图，实现身份验证。

（2）光谱式传感：利用不同物质对特定波长光的吸收差异判断物质组成和浓度。典型应用是血氧监测——含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白对红光和红外光的吸收程度不同，通过测量吸收差异可计算血液中氧合血红蛋白比例，进而获得心率和血氧值。

（3）干涉式传感：当两束光叠加时会产生干涉条纹，如同水面波纹相遇形成的图案。生物组织的微小变化（如血管搏动）会改变光波叠加后的干涉图案，通过检测图案变化可捕获微小的生理活动信息。

从刚性平面到柔性立体的技术突破

虽然平面光学传感器已实现基础应用，但人体组织的复杂曲面和动态特性对传感技术提出了更高要求。如果刚性的光学生物传感器可以像创可贴一样变得柔软，就能紧密贴合人体组织，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

实现柔性化主要有两种途径：

（1）结构方面的改进：一个铜块是刚性的，而薄的铜箔便是柔性可弯曲的一样，所以将材料做薄是实现柔性化的一种方式，同时还可以将一条直线变成蛇形曲线，这样就可以将原本的结构变成可延展、可拉伸的结构。这些方法都通过结构的设计让原本刚性的物体变成了柔性，为光学器件的柔性化提供了结构改进的思路。

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：另外一种思路便是采用本身就具备柔性的材料（例如像织布一样的将导电的银纳米线穿透到可以拉伸的硅胶里面形成导电网络）进行光电器件的制备，这类材料在分子结构或微观形貌上具备天然可变形能力，本身就会像橡皮泥一样可以弯曲，可以拉伸。

这些材料通过化学改性和多尺度结构调控，突破了传统刚性材料的力学限制，但现在仍然面临着光电转换效率不如刚性器件，长期使用容易造成力学损伤从而使得器件的使用寿命低于刚性器件等，尽管如此，但是这些思路可以为慢病监测等新兴领域提供新的工具包。

贴合人体的表皮光电系统

清华大学冯雪教授团队将传统发光二极管变得只有10微米薄，通过蛇形连接线与透明柔性基底（PDMS）整合，制备出可与人体自然共形贴附的光电系统。通过测量血液对不同波长光波的吸收情况，判断血液的容积和流速变化，从而测量血氧和血压值。（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

美国斯坦福研究团队发现柠檬黄这种食用染料有个特殊的性质：它在257纳米和428纳米处有很强的光吸收，而在600纳米以上的红光区域几乎不吸收。根据洛伦兹震荡模型，这种强吸收的染料分子在水中就像微小的振子，它们在特定波长的强烈振动会影响水在其他波长下的光学性质。通过克拉莫-克若尼关系式，这种吸收特性能让水的折射率提高到接近脂肪和蛋白质的水平。这样，光线就能顺利穿过组织，让我们“看透”皮肤。更重要的是，这种方法安全可逆。实验证明，柠檬黄溶液能让小鼠皮肤在几分钟内变得透明，用生理盐水冲洗后又能恢复原状。虽然目前的透明深度还只有3毫米，但这已经足够观察许多重要的生理活动了。(这项皮肤透明成像技术目前仅限于动物实验，尚未在人体测试过安全性，建议大家不要自行用染料做尝试，以免对健康造成伤害)（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，探索细胞活动与动物行为的关联。美国西北大学研究团队开发的超薄柔性无线光遗传系统，能与生物组织共形贴合，结合无线通讯技术实现光刺激参数的实时精准控制。（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来的突破性进展，能在完成监测任务后自然分解，无需二次手术取出。意大利研究团队开发了一款荧光生物传感器，具有优越的生物相容性和可控降解特性，能根据阿霉素浓度变化产生不同的光吸收响应，实现皮下药物浓度的实时追踪。这种“用完即消失”的特性特别适用于肿瘤治疗后的药物代谢监测。（

Sci. Adv.

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监测技术集成于同一柔性基底上。美国斯坦福大学研究团队开发的智能绷带系统，能同时进行生理参数监测和主动治疗干预，加速慢性伤口愈合。这标志着从单一参数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

未来的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：在篮球场飞跃扣篮时，柔性光电皮肤获取运动过程中的血氧、血压信息。

神经监测：静坐学习时，监测神经活动信息，捕获脑部活动状态。

多重探测：新一代传感器融合红外光、超声波等多重技术，既能透过皮肤看清血液流动，又能捕捉器官的立体活动影像。

全息健康：通过分析汗液中的光学信号，在智能手表中生成包含荷尔蒙水平、免疫状态等多维指标的“健康全息图”，让每个人都能全面掌握自身健康状态。

柔性化与透明化的双轮驱动，正重塑医疗监测范式——未来我们或许只需戴上智能眼镜，就能实时“看见”体内组织健康指标的“流光溢彩”。

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