科学家打造红外分子指纹识别+技术，有望实现体表生理无创监测

宁波大学红外材料及器件实验室是一支专注于红外硫系玻璃及其光电子器件研究的团队，在新型红外硫系玻璃及红外成像技术、低损耗红外硫系光纤、中远红外超连续谱光源等方面形成特色优势。在优异的团队工作基础上，近期该团队的林常规、戴世勋等人提出了一种全新的基于硫系玻璃光纤的红外-温度复合传感技术。相比于其他的体表生理监测技术，这个方案的巧妙之处在于他们利用了单根光纤的两种不同传感机制：利用红外倏逝波效应检测汗液中的代谢产物浓度变化，利用热敏电阻效应监测体温变化，并将其分别转换为相互独立的光信号和电信号。这样就避免了传统多参量检测中的信号串扰问题。同时，通过使用光纤拉丝技术，单根预制棒可以制备出千米以上的光纤，极大降低了传感器的制作成本，为实现更精准、更可靠、更具经济效益的健康监测提供了全新的技术路径。

硫系光纤的红外倏逝波-温度复合传感技术在健康监测、先进储能、有机合成、环境污染监控等领域拥有极佳的应用价值。

• 在健康监测领域，该技术可无创检测汗液葡萄糖，替代指尖采血。同时，这项技术可以监控运动员在整个训练过程中的乳酸阈值和体温，为科学训练提供更加精确的数据支持。
• 在先进储能领域，该技术可以原位监测电池内部的电解液成分和温度信息，实现电池状态的精准评估。
• 在有机合成领域，该技术可实时监测有机反应过程中的反应物浓度和温度变化，为化学反应动力学研究和工艺优化提供解决方案。

给分子做“指纹识别”

在全球人口老龄化加剧和慢性病高发的时代背景下，健康监测技术正在由“被动治疗”向“主动预防”转变。早期诊断和持续监测对于降低发病率和提高患者生活质量至关重要。然而，传统的医疗检测方法（如血液、组织液检测）存在侵入性强、实时监测困难等问题，制约了其在日常健康管理中的应用。皮肤作为人体最大的器官，富含丰富的生理信息（如汗液代谢物、体温等），使其成为非侵入式健康监测的理想界面。

近年来，体表生理监测技术因其无创性、实时性、多样性等特点成为了研究热点。当前的体表生理监测技术主要分为电化学式与光学式，但这些监测技术仍面临着以下困难：一是多参量监测过程中不同信号间容易发生交叉串扰；二是设备的长期稳定性不足，多次使用后数据准确性大打折扣；三是基于这些传感技术的传感器制备过程复杂、成本高。这些技术瓶颈严重制约了体表生理监测技术在个性化预防医学中的深度应用。

为了突破上述瓶颈，宁波大学研究团队将目光投向了中红外光纤倏逝波光谱技术。这项技术就像给分子做“指纹识别”，能够通过检测化合物分子对中红外光的共振响应，实现无标记的汗液代谢物成分分析。硫系玻璃由于其宽的红外透过范围和优异的成纤能力，被认为是中红外光纤倏逝波传感的理想材料。同时，作为一种半导体材料，硫系玻璃还具有典型的热敏电阻效应，使其在电阻式温度传感方面具有极大的应用潜力。然而，由于硫系玻璃的热稳定性、红外透过性和半导体特性之间存在此消彼长的矛盾，其在红外-温度复合传感方面的潜力始终未得到充分发挥。在这样的背景下，研究团队开展了这项工作。

“岂不是可以实现多参量传感的突破？”

事实上，一切始于一个看似简单却意义深远的发现。基于硫系玻璃光纤的倏逝波传感特性与半导体特性，单一的红外倏逝波传感与温度传感研究均已有了显著进展。如果能将这两种特性巧妙结合，岂不是可以实现多模传感的突破？带着这个想法，他们开始了这一课题。

研究团队通过大量调研国内外相关文献，以期解答以下关键问题：第一，这样的多功能传感特性究竟能够应用于哪些方向？第二，既然硫系光纤在这两个传感方面都有一定进展，为什么还没有人将它们结合起来？是技术难度太大，还是应用前景不明？这两个问题就像两个“谜题”，驱使着他们不断深入探索。通过文献调研和理论分析，他们首先明确了体表生理多参量监测这一研究方向。这个想法让研究团队兴奋不已，因为他们意识到这可能是一个新的技术突破。

确定应用方向之后，他们开始投入到硫系光纤的制备和性能测试中。然而，这个看上去简单的工作做起来却不像想得那么顺利，研究团队很快遇到了一个看似不可调和的矛盾：即想要协同优化硫系玻璃的半导体特性与光学特性就像在跷跷板上保持平衡一样困难。当他们提高材料的半导体特性时，其光谱透过范围和光纤损耗都会显著恶化；而当维持较好的光学特性时，又会影响光纤的导电特性，导致无法捕捉到稳定的电信号变化。刚开始，由于对这些性能间的权衡关系认识不够深入，他们就像在迷宫中打转，走了许多弯路，不断尝试了各种玻璃组成，但都以失败告终。

但在经历长达几个月的试验和失败后，他们逐渐摸索到了这一问题的症结所在，并且找到了突破的方向。林常规告诉 DeepTech：“关键的转折点出现组成的确定上，经过大量的试验和优化，我们终于找到 As3Se5Te2 这个最佳组成，它既能保持良好的光学性能，又具备出色的电学特性。”

确定最优组成之后，他们随即投入到光纤制备工艺的精细优化中。这一过程中每一个细节都要精益求精：先要制备出高纯度的光纤基质玻璃，才能拉制出低损耗的光纤，从而获得高信噪比的光谱信号。从材料提纯、拉丝到后续测试，整个工艺链条环环相扣，容不得半点疏漏。

随后，他们将攻关重点转向光纤性能的测试和应用验证。这个阶段就要用实实在在的数据来证明这一技术突破。在这一阶段，根据前期所能实现的性能指标，他们通过持续优化光纤结构设计、迭代制备工艺与测试条件，对光纤的传感性能进行了全方位的评价。每一次测试都像是一次“考试”，检验着前期工作的成果。经过大量实验数据的累计和分析，研究团队逐渐厘清了硫系光纤的红外-温度复合传感机制，并发现了其独特的优势所在，并通过人体运动测试则验证了技术的准确性和可靠性，证明了这项技术在实际应用中的巨大潜力。

回顾整个研究过程，深刻体会到科研工作的不易。从最初的灵感闪现到最终的技术突破，每一个阶段都充满了挑战和惊喜。虽然过程曲折，但正是这种执着的探索精神，让研究团队最终“淬炼”出了这项具有重要应用价值的技术成果。

“换个思路天地宽”

“这次研究使我深刻体会到了科研中‘换个思路天地宽’的道理。”林常规感概道。工作前期，他们一直朝着热电效应的方向努力，希望利用这个机制来实现温度传感。但是，研究几个月之后，他们发现光纤的低电导率和高长径比严重影响了热电信号的稳定性。

回忆起那段迷茫的过程，林常规苦笑道：“数据总是跳来跳去，让人抓狂。那段时间就像钻了牛角尖，一直想着如何优化组成来稳定信号，试了各种配比和工艺都不理想。”直到一天团队例会讨论时，本次论文的第一作者傅燕青博士和共同通讯作者康世亮研究员突发奇想，既然电压信号那么不稳定，为什么不直接测电阻的变化呢？

这个看似简单的建议却为研究团队找到了突破方向。抱着试试看的心态，改变了测试方式。没想到这一试带来了巨大惊喜，硫系玻璃较宽的带隙，再加上人体体温处于相对较低的温度区间，使得电阻式温度传感在这一温度范围内表现出了极高的灵敏度和优异的线性关系。这个经历让研究团队深刻体会到，科研不能停留在固有思维里。有时候换个思路，“死胡同”瞬间就变成了“阳关大道”。

最终，相关论文以《通过单一硫属化物光纤实现红外-温度双重传感，解锁体表生理演化的奥秘》（Unlocking body-surface physiological evolution via IR-temperature dual sensing with single chalcogenide fiber）为题发在Light: Science & Applications（IF 20.6），宁波大学傅燕青博士是第一作者，林常规和宁波大学康世亮研究员担任共同通讯作者 [1]。

谈及这项技术的未来发展方向，林常规表示团队已经制定了清晰的路线图，“虽然我们取得了阶段性突破，但距离真正的临床应用还有很长的路要走”他坦言道。

首先，在技术深化方面，研究团队计划通过光纤结构的创新来进一步提升传感性能。虽然目前已经实现了对个别生物标志物 0.1% 的检测限，但仍还有很大的提升空间。因此，他们的后续目标是将检测限再降低一个数量级，同时进一步提高灵敏度，这样就能捕捉到更加微弱的生理信号变化，为早期疾病诊断提供更加精准的数据支撑。

其次，要着力优化整套测试设备。现在的实验室级设备虽然功能强大，但体积庞大、操作复杂，距离实际应用还有一定距离，而只有开发出小型化、便携式的检测设备，才能让用户能够像使用智能手环一样方便地进行健康监测。

参考资料：

Fu, Y., Kang, S., Zhou, G. et al. Unlocking body-surface physiological evolution via IR-temperature dual sensing with single chalcogenide fiber.Light Sci Appl14, 173 (2025). https://doi.org/10.1038/s41377-025-01840-y

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