在清晨，您的指尖触摸手机屏幕——一束不可见的光线从屏幕的底部立即出现，就像探险家爬过指纹的“山脉”和“峡谷”，将凹面的凹入式变成凹面并撞到手机可以理解的密码中。

当您汗水和奔跑时，手表上的神奇的小绿灯正忙着玩捉迷藏：它渗透到皮肤下的血管迷宫中，跳舞，血腥的浪潮，计算每分钟心跳的数量，并发现血液中的氧气含量。

设备中隐藏的这些轻型生物传感器正在用光语言悄悄与您的身体聊天！从指纹识别到健康监测，光传感器的魔杖正在开放越来越多的人生秘密。

触手可见的光密码

当前有三个屏幕指纹识别解决方案：

（1）光屏幕指纹识别：使用光学识别的原理通过屏幕底部的CMO识别指纹模式；

（2）电容性指纹识别：通过电容性指纹模块，通过指纹传感器形成电场，并用导电皮下电解质形成电场。指纹具有不同高度和波动的指纹将与传感器形成不同的压力差异，从而识别特定的指纹。

（3）超声指纹识别：使用超声识别的原理，超声波通过屏幕，并根据不同的指纹反射不同的超声波，以识别特定的指纹。

如今，屏幕下指纹识别主要使用光学解决方案，考虑到成本，全屏集成和安全性。该解决方案利用OLED屏幕的光传输特性与小孔成像和透镜成像结合在一起，因此屏幕下方的CMOS传感器可以准确地识别屏幕上方的指纹并实现光学指纹识别。该技术提供了光学生物传感器如何工作的最直观的例子。

光学生物传感的基本原理

光生传感的核心工作机制围绕着光和生物组织之间的相互作用。当光在人体组织上发光时，不同深度的组织具有独特的“光学代码”，可用于光：

表面识别：当光撞击指纹（皮肤表面）时，角质层的光滑表面将直接反射一些光，而表皮细胞和黑色素吸收了大量短波长（例如蓝光，绿色光）。因此，它可以依靠可见光的反射差异来快速捕获表面特征，并实现诸如指纹解锁之类的应用。

深度检测：随着光渗透到真皮和脂肪层时，静脉血吞吞咽的脱氧血红蛋白像“挑剔的怪物”一样660nm红光。氧化血红蛋白更喜欢在约900nm的红外光附近。脂肪层中的水分子在970nm红外光中具有特殊的喜好，并且肌肉组织更喜欢在约1025nm的红外光中吸收。当光穿透更深的组织时，其复杂的结构会导致光的多个光散射（例如光线通过厚雾的光的逐渐扩散）。此时，近红外光（700-1300nm）具有长波长优势，散射程度比可见光低10-50倍，并且可以渗透到3-5 mm的深度（例如肌肉，视网膜等）。如果您更深入一步，高水分含量和致密细胞进一步拦截了光。这样，需要近红外光的排放能力才能实现更深的检测。但是应该指出的是，当权力太高时，它将损害人类健康。

基于不同的测量方法，光学生物传感可以分为三类：

（1）成像传感：通过光强度分布获得组织结构图像。指纹解锁是最典型的较浅的应用，而视网膜识别则使用近红外光穿透学生并在视网膜上形成光点。由于视网膜血管的反射和吸收特征，可以获得独特的血管分布图以实现身份验证。

（2）光谱传感：利用来自不同物质的光吸收的差异来确定物质的组成和浓度。典型的应用是血氧监测。 ——氧化血红蛋白和脱氧血红蛋白的红色和红外光吸收程度不同。通过测量吸收差，可以计算出血液中的氧化血红蛋白的比率，并且可以获得心率和血氧值。

（3）干扰感应：当两光束被叠加时，将产生干扰条纹，就像由水面上的波纹相遇形成的模式一样。生物组织（例如血管脉动）的小变化将改变光波叠加后的干扰模式，并且可以通过检测模式变化来捕获有关生理活性的微小信息。

从刚性平面到灵活的三维的技术突破

尽管已经在基本应用中实现了平面光学传感器，但是人类组织的复杂弯曲表面和动态特征对传感技术提出了更高的要求。如果刚性光学生物传感器可以像创可贴一样变得柔软，则可以将其紧密地适合人体组织，从“硬卡”升级为“可穿戴光学皮肤”。

材料和结构的灵活性策略

有两种实现灵活性的主要方法：

（1）结构改进：铜块是刚性的，而薄铜箔是柔性且弯曲的。因此，将材料变薄是实现灵活性的一种方式。同时，可以将直线变成蛇形曲线，以便可以将原始结构变成可扩展且可拉伸的结构。这些方法使最初的刚性物体通过结构设计变得灵活，从而为光学设备的灵活性提供了结构改进的想法。

（2）材料创新：另一个想法是使用柔性的材料（例如穿透导电银纳米线，例如编织以形成导电网络）来制备光电设备。这种类型的材料在分子结构或微观形态中具有自然的变形，并且会像塑料一样弯曲和伸展。

这些材料通过化学修饰和多尺度结构调节的传统刚性材料的机械局限性打破了，但它们仍然面临着这样一个事实，即光电转换效率不如刚性设备的效率好。长期使用可能会造成机械损坏，这使设备的使用寿命低于刚性设备等。

表皮光电系统适合人体

潮华大学的风Xue团队使传统的发光二极管仅用10微米，并通过蛇形连接线将它们与透明的柔性基板（PDMS）整合在一起，以制备可以自然与人体结合的光电系统。通过测量不同波长下光波的吸收，确定血液的体积和流量，并测量血氧和血压值。 （《国家科学评论》，第7卷，第5期）

深层组织的光学传感技术

美国的斯坦福大学研究小组发现，可食用的染料柠檬黄色具有特殊特性：它在257纳米和428纳米时具有强烈的光吸收，而在600纳米以上的红光区域几乎不会吸收。根据Lorentz振荡模型，这种强烈吸收的染料分子就像水中的微小振荡器一样，在特定波长下的强振动会影响其他波长在其他波长下的水特性。通过cramo-roni的关系，这种吸收特征会增加水的折射率，以接近脂肪和蛋白质的折射率。这样，光可以平稳地穿过组织，从而使我们“透过”皮肤。更重要的是，此方法是安全且可逆的。实验表明，柠檬黄溶液可以在几分钟内使小鼠的皮肤透明，并且在用普通盐水冲洗后可以恢复其原始状态。尽管当前的透明度深度仅为3毫米，但这足以观察许多重要的生理活性。 （这种皮肤透明的成像技术目前仅限于动物实验，并且尚未在人类中测试安全性。建议您不要自行尝试染料来避免对健康造成伤害）（Science 385，EADM6869（2024））

灵活轻型生物传感器的医学革命

精确监测脑科学

在神经科学领域，光遗传学可以通过光刺激准确调节大脑神经，并探索细胞活性与动物行为之间的关联。由美国西北大学的研究团队开发的超薄柔性无线光学遗传系统可以与生物组织相吻合，并结合无线通信技术，以实现实时和准确控制照片刺激参数。 （Nat Neurosci 24，10351045（2021））

可生物降解的监控系统

近年来，可生物降解的传感器是一个突破，可以在完成监测任务而无需进行继发手术的情况下自然分解。意大利研究小组开发了一种具有优异生物相容性和可控制的降解特性的荧光生物传感器，根据阿霉素浓度的变化，可以产生不同的光吸收反应，并实现皮下药物浓度的实时跟踪。这种“使用后消失”的特征特别适合肿瘤治疗后的药物代谢监测。 （Sci。Adv.11，EADS0265（2025））

多模式融合健康平台

多模式融合健康平台将光学传感与其他柔性基板上的其他监测技术集成在一起。美国斯坦福大学研究团队开发的智能绷带系统可以同时监测生理参数并积极治疗干预措施，以加速慢性伤口愈合。这标志着从单个参数监测到综合健康管理的过渡。 （NAT Biotechnol 41，652662（2023））

摘要和前景

未来的轻型生物传感器将与智能皮肤这样的人体深入整合：

体育监测：当您在篮球场上跳下并扣篮时，柔韧的光电皮肤在运动过程中获得血氧和血压信息。

神经监测：在静坐学习期间，监测神经活动信息并捕获大脑活动状态。

多次检测：新一代传感器结合了多种技术，例如红外光和超声，它们不仅可以看到血液流过皮肤，还可以捕获器官的三维运动图像。

全息健康：通过分析汗水中的光学信号，一种“健康全息图”，其中包含多维指标，例如激素水平和免疫状态，在智能手表中产生，以便每个人都可以完全掌握自己的健康状况。