用于体内多组分监测的紧凑型中红外光纤探头，通过离体人皮肤演示

为什么皮肤中的微小光学探头很重要

医生和科学家越来越希望实时观察体内化学成分的变化，尤其是像糖、酒精和乳酸这样能反映器官在疾病、损伤或治疗下应对状况的小分子。现有工具常常速度慢、体积大，或依赖易损耗的酶。本文描述了一种火柴棒般细的光纤探头，利用不可见的中红外光同时读取多种化学信号，无需染料或试剂，并演示了其在逼真人体皮肤组织中的可行性。

寻找更好的化学“生命体征”

葡萄糖、乳酸和乙醇像是大脑与全身的化学生命体征。异常的葡萄糖和乳酸水平可在创伤性脑损伤、糖尿病或败血症后提示问题，而乙醇既影响脑功能，也改变机体对燃料的处理。若能同时随时间测量这些指标，临床医生将更清楚地了解患者的代谢状态。现有方法，例如微透析，会缓慢地从组织中抽取液体以供后续分析，从而错过快速变化；电化学传感器依赖脆弱的酶，并且在蛋白或细胞覆盖其表面时易被污染。较新的光学植入器件虽有潜力，但体积相对较大并需手术植入，限制了其使用场景。

用中红外光读取分子信息

作者没有把化学做在芯片上，而是利用化学键振动在中红外区的“发声”。在该光谱段，每种分子在一组特定频率处吸收光，就像由化学键振动组成的条形码。研究团队首先测量了乙醇、葡萄糖和乳酸在模拟脑脊液的流体中对中红外光的吸收情况，确认每种物质都有可识别的吸收峰，并建立了吸收峰高度与浓度间的校准曲线，检测限约为每升千分之一摩尔——在医学相关范围内足够灵敏。这证明了仅凭中红外光理论上可以在类组织的水盐环境中区分这三种化合物。

用于活体组织的铅笔粗细探头

工作的核心是一种紧凑的“透反射”光纤探头，直径仅1.1毫米，小到可将其插入组织而造成最小损伤。两个银卤化物光纤首尾相接置于一根微小塑料管中：一根用于输送和采集光，另一根镀金以充当反射镜。光从第一根光纤的斜切端射出，跨过微小间隙，被镜面反射后沿相同路径返回。该间隙约为63微米，是探测区域。管外包覆一层薄的半透膜，允许像乙醇、葡萄糖和乳酸这样的微小分子渗入，但阻挡较大的蛋白和细胞，减少污染并提高生物相容性。当与强大的量子级联激光器耦合时，该系统即便在台式红外光谱仪固有灵敏度更高的情况下，也能实现更好的检测限，因为激光提供了异常干净且强烈的光束。

解开混合物并追踪变化

真实组织同时含有多种分子，团队测试了探头是否能从含有乙醇、葡萄糖和乳酸的混合溶液中分离信号。由于红外“条码”会重叠，他们采用了数学峰值解卷方法：将测得的光谱拟合为各化合物已知峰形的叠加。通过拟合得到的峰高，他们能够以仅几个百分点的误差恢复每种浓度，表明可靠的多组分分析是可行的，尽管不如单独测量时那样不确定度低。随后他们将探头置入在培养基上维持的人体腹部皮肤样本中。在一项测试里，他们将光纤探头测得的皮肤中乙醇水平与标准微透析探头加气相色谱的结果进行了比较。光学探头以更细的时间分辨率跟踪了组织中乙醇的上升和平台期，并显示略高的表观浓度，这很可能是因为它不抽取液体且不存在蒸发损失。

面向安全与真实应用的设计

为推动在活体患者中的应用，作者评估了响应时间、膜效应和材料安全性等实际问题。加入保护膜大致使探头响应葡萄糖浓度变化的时间延长一倍，但仍能在一分钟内捕获90%的变化——对大多数临床情形下葡萄糖、乳酸和乙醇相对缓慢的变化而言已足够快。他们还将探头浸入纯水中一周，测量了从光纤释放的微量银离子。水平远低于已知的细胞毒性阈值，且膜进一步减少了与组织的直接接触。主要剩余挑战是体积庞大的中红外激光和光学器件；将它们缩小成便携系统被标为关键工程难题。

对未来患者护理的意义

这项研究表明，一种非常小的中红外光纤探头可以在类人体皮肤中实时同时追踪多种重要化学标志物，无需抽取液体或使用一次性化学品。虽然仍处于实验室阶段，这一方法指向未来可在床边使用的设备，这类设备可以安静地置入组织内并持续报告局部代谢状况，适用于脑损伤护理、败血症治疗或对酒精和葡萄糖效应的密集监测。简单来说，这项工作推动了我们朝着一种新的“化学听诊器”前进——用光直接倾听体内分子的声音。

引用: Lee, TA., Hutter, T. Compact mid-infrared fiber probe for in vivo multi-compound monitoring demonstrated using ex vivo human skin. Nat Commun 17, 3665 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70300-x

关键词: 中红外光纤探头, 代谢物监测, 葡萄糖和乳酸传感, 组织中的乙醇, 微透析替代方案