寧波大學紅外材料及器件實驗室是一支專注于紅外硫系玻璃及其光電子器件研究的團隊，在新型紅外硫系玻璃及紅外成像技術、低損耗紅外硫系光纖、中遠紅外超連續(xù)譜光源等方面形成特色優(yōu)勢。在優(yōu)異的團隊工作基礎上，近期該團隊的林常規(guī)、戴世勛等人提出了一種全新的基于硫系玻璃光纖的紅外-溫度復合傳感技術。相比于其他的體表生理監(jiān)測技術，這個方案的巧妙之處在于他們利用了單根光纖的兩種不同傳感機制：利用紅外倏逝波效應檢測汗液中的代謝產(chǎn)物濃度變化，利用熱敏電阻效應監(jiān)測體溫變化，并將其分別轉換為相互獨立的光信號和電信號。這樣就避免了傳統(tǒng)多參量檢測中的信號串擾問題。同時，通過使用光纖拉絲技術，單根預制棒可以制備出千米以上的光纖，極大降低了傳感器的制作成本，為實現(xiàn)更精準、更可靠、更具經(jīng)濟效益的健康監(jiān)測提供了全新的技術路徑。

圖 | 林常規(guī)和團隊（來源：林常規(guī)）

硫系光纖的紅外倏逝波-溫度復合傳感技術在健康監(jiān)測、先進儲能、有機合成、環(huán)境污染監(jiān)控等領域擁有極佳的應用價值。

• 在健康監(jiān)測領域，該技術可無創(chuàng)檢測汗液葡萄糖，替代指尖采血。同時，這項技術可以監(jiān)控運動員在整個訓練過程中的乳酸閾值和體溫，為科學訓練提供更加精確的數(shù)據(jù)支持。
• 在先進儲能領域，該技術可以原位監(jiān)測電池內(nèi)部的電解液成分和溫度信息，實現(xiàn)電池狀態(tài)的精準評估。
• 在有機合成領域，該技術可實時監(jiān)測有機反應過程中的反應物濃度和溫度變化，為化學反應動力學研究和工藝優(yōu)化提供解決方案。

（來源：Light: Science & Applications）

給分子做“指紋識別”

在全球人口老齡化加劇和慢性病高發(fā)的時代背景下，健康監(jiān)測技術正在由“被動治療”向“主動預防”轉變。早期診斷和持續(xù)監(jiān)測對于降低發(fā)病率和提高患者生活質量至關重要。然而，傳統(tǒng)的醫(yī)療檢測方法（如血液、組織液檢測）存在侵入性強、實時監(jiān)測困難等問題，制約了其在日常健康管理中的應用。皮膚作為人體最大的器官，富含豐富的生理信息（如汗液代謝物、體溫等），使其成為非侵入式健康監(jiān)測的理想界面。

近年來，體表生理監(jiān)測技術因其無創(chuàng)性、實時性、多樣性等特點成為了研究熱點。當前的體表生理監(jiān)測技術主要分為電化學式與光學式，但這些監(jiān)測技術仍面臨著以下困難：一是多參量監(jiān)測過程中不同信號間容易發(fā)生交叉串擾；二是設備的長期穩(wěn)定性不足，多次使用后數(shù)據(jù)準確性大打折扣；三是基于這些傳感技術的傳感器制備過程復雜、成本高。這些技術瓶頸嚴重制約了體表生理監(jiān)測技術在個性化預防醫(yī)學中的深度應用。

為了突破上述瓶頸，寧波大學研究團隊將目光投向了中紅外光纖倏逝波光譜技術。這項技術就像給分子做“指紋識別”，能夠通過檢測化合物分子對中紅外光的共振響應，實現(xiàn)無標記的汗液代謝物成分分析。硫系玻璃由于其寬的紅外透過范圍和優(yōu)異的成纖能力，被認為是中紅外光纖倏逝波傳感的理想材料。同時，作為一種半導體材料，硫系玻璃還具有典型的熱敏電阻效應，使其在電阻式溫度傳感方面具有極大的應用潛力。然而，由于硫系玻璃的熱穩(wěn)定性、紅外透過性和半導體特性之間存在此消彼長的矛盾，其在紅外-溫度復合傳感方面的潛力始終未得到充分發(fā)揮。在這樣的背景下，研究團隊開展了這項工作。

“豈不是可以實現(xiàn)多參量傳感的突破？”

事實上，一切始于一個看似簡單卻意義深遠的發(fā)現(xiàn)?；诹蛳挡ＡЧ饫w的倏逝波傳感特性與半導體特性，單一的紅外倏逝波傳感與溫度傳感研究均已有了顯著進展。如果能將這兩種特性巧妙結合，豈不是可以實現(xiàn)多模傳感的突破？帶著這個想法，他們開始了這一課題。

研究團隊通過大量調(diào)研國內(nèi)外相關文獻，以期解答以下關鍵問題：第一，這樣的多功能傳感特性究竟能夠應用于哪些方向？第二，既然硫系光纖在這兩個傳感方面都有一定進展，為什么還沒有人將它們結合起來？是技術難度太大，還是應用前景不明？這兩個問題就像兩個“謎題”，驅使著他們不斷深入探索。通過文獻調(diào)研和理論分析，他們首先明確了體表生理多參量監(jiān)測這一研究方向。這個想法讓研究團隊興奮不已，因為他們意識到這可能是一個新的技術突破。

確定應用方向之后，他們開始投入到硫系光纖的制備和性能測試中。然而，這個看上去簡單的工作做起來卻不像想得那么順利，研究團隊很快遇到了一個看似不可調(diào)和的矛盾：即想要協(xié)同優(yōu)化硫系玻璃的半導體特性與光學特性就像在蹺蹺板上保持平衡一樣困難。當他們提高材料的半導體特性時，其光譜透過范圍和光纖損耗都會顯著惡化；而當維持較好的光學特性時，又會影響光纖的導電特性，導致無法捕捉到穩(wěn)定的電信號變化。剛開始，由于對這些性能間的權衡關系認識不夠深入，他們就像在迷宮中打轉，走了許多彎路，不斷嘗試了各種玻璃組成，但都以失敗告終。

但在經(jīng)歷長達幾個月的試驗和失敗后，他們逐漸摸索到了這一問題的癥結所在，并且找到了突破的方向。林常規(guī)告訴 DeepTech：“關鍵的轉折點出現(xiàn)組成的確定上，經(jīng)過大量的試驗和優(yōu)化，我們終于找到 As3Se5Te2 這個最佳組成，它既能保持良好的光學性能，又具備出色的電學特性?！?/p>

（來源：Light: Science & Applications）

確定最優(yōu)組成之后，他們隨即投入到光纖制備工藝的精細優(yōu)化中。這一過程中每一個細節(jié)都要精益求精：先要制備出高純度的光纖基質玻璃，才能拉制出低損耗的光纖，從而獲得高信噪比的光譜信號。從材料提純、拉絲到后續(xù)測試，整個工藝鏈條環(huán)環(huán)相扣，容不得半點疏漏。

隨后，他們將攻關重點轉向光纖性能的測試和應用驗證。這個階段就要用實實在在的數(shù)據(jù)來證明這一技術突破。在這一階段，根據(jù)前期所能實現(xiàn)的性能指標，他們通過持續(xù)優(yōu)化光纖結構設計、迭代制備工藝與測試條件，對光纖的傳感性能進行了全方位的評價。每一次測試都像是一次“考試”，檢驗著前期工作的成果。經(jīng)過大量實驗數(shù)據(jù)的累計和分析，研究團隊逐漸厘清了硫系光纖的紅外-溫度復合傳感機制，并發(fā)現(xiàn)了其獨特的優(yōu)勢所在，并通過人體運動測試則驗證了技術的準確性和可靠性，證明了這項技術在實際應用中的巨大潛力。

回顧整個研究過程，深刻體會到科研工作的不易。從最初的靈感閃現(xiàn)到最終的技術突破，每一個階段都充滿了挑戰(zhàn)和驚喜。雖然過程曲折，但正是這種執(zhí)著的探索精神，讓研究團隊最終“淬煉”出了這項具有重要應用價值的技術成果。

（來源：Light: Science & Applications）

“換個思路天地寬”

“這次研究使我深刻體會到了科研中‘換個思路天地寬’的道理。”林常規(guī)感概道。工作前期，他們一直朝著熱電效應的方向努力，希望利用這個機制來實現(xiàn)溫度傳感。但是，研究幾個月之后，他們發(fā)現(xiàn)光纖的低電導率和高長徑比嚴重影響了熱電信號的穩(wěn)定性。

回憶起那段迷茫的過程，林常規(guī)苦笑道：“數(shù)據(jù)總是跳來跳去，讓人抓狂。那段時間就像鉆了牛角尖，一直想著如何優(yōu)化組成來穩(wěn)定信號，試了各種配比和工藝都不理想。”直到一天團隊例會討論時，本次論文的第一作者傅燕青博士和共同通訊作者康世亮研究員突發(fā)奇想，既然電壓信號那么不穩(wěn)定，為什么不直接測電阻的變化呢？

這個看似簡單的建議卻為研究團隊找到了突破方向。抱著試試看的心態(tài)，改變了測試方式。沒想到這一試帶來了巨大驚喜，硫系玻璃較寬的帶隙，再加上人體體溫處于相對較低的溫度區(qū)間，使得電阻式溫度傳感在這一溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出了極高的靈敏度和優(yōu)異的線性關系。這個經(jīng)歷讓研究團隊深刻體會到，科研不能停留在固有思維里。有時候換個思路，“死胡同”瞬間就變成了“陽關大道”。

最終，相關論文以《通過單一硫屬化物光纖實現(xiàn)紅外-溫度雙重傳感，解鎖體表生理演化的奧秘》（Unlocking body-surface physiological evolution via IR-temperature dual sensing with single chalcogenide fiber）為題發(fā)在Light: Science & Applications（IF 20.6），寧波大學傅燕青博士是第一作者，林常規(guī)和寧波大學康世亮研究員擔任共同通訊作者 [1]。

圖 | 相關論文（來源：Light: Science & Applications）

談及這項技術的未來發(fā)展方向，林常規(guī)表示團隊已經(jīng)制定了清晰的路線圖，“雖然我們?nèi)〉昧穗A段性突破，但距離真正的臨床應用還有很長的路要走”他坦言道。

首先，在技術深化方面，研究團隊計劃通過光纖結構的創(chuàng)新來進一步提升傳感性能。雖然目前已經(jīng)實現(xiàn)了對個別生物標志物 0.1% 的檢測限，但仍還有很大的提升空間。因此，他們的后續(xù)目標是將檢測限再降低一個數(shù)量級，同時進一步提高靈敏度，這樣就能捕捉到更加微弱的生理信號變化，為早期疾病診斷提供更加精準的數(shù)據(jù)支撐。

其次，要著力優(yōu)化整套測試設備?，F(xiàn)在的實驗室級設備雖然功能強大，但體積龐大、操作復雜，距離實際應用還有一定距離，而只有開發(fā)出小型化、便攜式的檢測設備，才能讓用戶能夠像使用智能手環(huán)一樣方便地進行健康監(jiān)測。

參考資料：

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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