300 多年前，牛頓用三棱鏡分解陽光開啟光譜學(xué)時代；如今，中國科學(xué)家以一枚芯片重塑光譜技術(shù)格局。近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫海定教授團隊聯(lián)合武漢大學(xué)劉勝院士團隊，成功研制出微型紫外光譜儀芯片并實現(xiàn)片上光譜成像，相關(guān)成果發(fā)表于《Nature Photonics》2025 年 12 月期。這一突破填補了紫外波段微型光譜成像技術(shù)空白，將光譜儀從 “半張實驗桌大小” 壓縮至芯片級別，響應(yīng)速度達(dá)納秒級，為生物檢測、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域帶來革命性變革。

光譜儀作為探測物質(zhì)、認(rèn)識世界的核心工具，已廣泛應(yīng)用于科研、工業(yè)、深空探測等領(lǐng)域。但傳統(tǒng)光譜成像技術(shù)依賴幾何分光與機械掃描，存在系統(tǒng)復(fù)雜、體積龐大、價格昂貴等痛點，尤其在深紫外 / 紫外波段，受限于材料與工藝，片上微型化技術(shù)長期處于空白狀態(tài)，成為制約行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。“現(xiàn)有光譜儀動輒數(shù)十公斤，價格數(shù)十萬甚至上百萬元，難以滿足便攜式、實時檢測的市場需求?！?孫海定教授介紹，紫外波段對生物制藥、有機物檢測至關(guān)重要，技術(shù)空白導(dǎo)致相關(guān)領(lǐng)域只能依賴大型設(shè)備，應(yīng)用場景嚴(yán)重受限。

為破解這一難題，研究團隊另辟蹊徑，摒棄傳統(tǒng)光學(xué)分光思路，提出基于氮化鎵基（GaN）級聯(lián)光電二極管的創(chuàng)新架構(gòu)。該芯片采用 N-P-N 背靠背級聯(lián)二極管設(shè)計，通過外加偏壓調(diào)控載流子傳輸行為，實現(xiàn) “可編程” 的光譜響應(yīng) —— 每一個偏壓對應(yīng)一條獨特響應(yīng)曲線，多個偏壓組合形成多通道光譜探測單元，再結(jié)合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法重構(gòu)完整光譜?！斑@種設(shè)計極致簡單卻極具巧思，只需基本半導(dǎo)體知識就能理解其原理，卻解決了傳統(tǒng)技術(shù)無法攻克的微型化難題?！?審稿人對這一創(chuàng)新架構(gòu)給予高度評價。

實驗數(shù)據(jù)顯示，該微型芯片在 250-365nm 紫外波段表現(xiàn)卓越：光譜分辨率達(dá) 0.62nm，時間響應(yīng)小于 10 納秒，較現(xiàn)有微型光譜儀快上千倍，刷新國際同類產(chǎn)品響應(yīng)速度紀(jì)錄。更重要的是，芯片采用 2 英寸晶圓大規(guī)模制備工藝，完全兼容現(xiàn)有半導(dǎo)體制造體系，成本可降至傳統(tǒng)光譜儀的百分之一。“我們成功將光譜解析能力‘嵌入’指甲蓋大小的芯片，未來有望集成到手機、手環(huán)、無人機中，讓光譜檢測走進(jìn)日常生活?！?共同第一作者余華斌博士表示。

在應(yīng)用驗證中，團隊利用該芯片對橄欖油、花生油、動物油脂及牛奶等樣品進(jìn)行檢測，成功通過光譜成像清晰區(qū)分不同有機物的獨特吸收特性及空間分布。這一成果意味著，該芯片在高通量生物分子檢測、食品安全監(jiān)管、環(huán)境實時監(jiān)測等領(lǐng)域具備廣闊應(yīng)用前景。“納秒級響應(yīng)速度使其能捕捉瞬態(tài)物理化學(xué)過程，為生物制藥、深空探測等高端領(lǐng)域提供新工具。” 劉勝院士補充道，團隊已提前布局專利申請，推動技術(shù)產(chǎn)業(yè)化落地。

從實驗室的 “笨重設(shè)備” 到芯片級的 “智能器件”，中國團隊的突破不僅填補了技術(shù)空白，更重構(gòu)了光譜儀的價值邏輯。相較于傳統(tǒng)光譜儀的 “專業(yè)場景局限”，微型紫外光譜儀芯片以 “低成本、便攜化、高靈敏度” 的優(yōu)勢，有望開啟光譜技術(shù)普及化時代。正如孫海定教授所言：“牛頓用三棱鏡讓人類看見光的本質(zhì)，我們希望用這枚芯片讓光譜檢測融入生活，為更多領(lǐng)域提供解碼物質(zhì)的‘微觀鑰匙’?！?/p>

業(yè)內(nèi)專家預(yù)測，該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化將帶動紫外檢測設(shè)備市場的重構(gòu)，相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域有望實現(xiàn)從 “實驗室檢測” 到 “現(xiàn)場實時監(jiān)測” 的跨越，為生物醫(yī)藥、環(huán)境保護、食品安全等行業(yè)注入新動能。目前，團隊正推進(jìn)芯片性能優(yōu)化與產(chǎn)業(yè)化合作，預(yù)計未來 3-5 年，基于該技術(shù)的便攜式檢測設(shè)備將逐步走向市場。