世界最小光谱仪：不到一毫秒就能捕获全光谱

这款新型光谱仪利用电压调谐光传感和计算重建技术，性能媲美大型设备。

北卡罗莱纳州立大学开发的新型光谱仪有望将先进的化学分析工具带入智能手机及其他紧凑设备。

光谱仪是分析材料如何与光相互作用、从而帮助识别其化学和物理性质的关键工具。其应用领域广泛，从医学诊断、环境监测到太空探索和制造业质量控制，无处不在。

尽管多年来光谱仪已日趋小型化，但若要集成到日常电子产品中，它们仍相对笨重。

为了突破这一限制，北卡罗莱纳州立大学的一个团队现已成功研制出仅有几平方毫米大小的工作原型机。其尺寸小到足以置于手机上，甚至可作为传感器阵列中的单个像素使用。

小巧工具，宽广光谱

该设备可检测从紫外到近红外光谱的光线。它采用了一种特殊设计的光电探测器，其灵敏度会随施加电压的变化而改变。

通过在不到一伏的电压范围内扫描并记录探测器的响应，研究人员可以通过计算重建材料反射或透射的完整光谱。

“（通过这种方法）我们获得的数据量足以让一个简单的计算程序重现光线的精确特征，”该研究的通讯作者、北卡罗莱纳州立大学机械与航空航天工程教授布伦丹·奥康纳（Brendan O’Connor）说。

整个过程在不到一毫秒内完成，并且无需复杂的光学系统或高压输入 —— 这两点正是过去阻碍小型化尝试的关键因素。

这款新型光谱仪工作电压低、响应速度快，并在宽波长范围内保持高灵敏度。

重要的是，它不需要其他微型化系统所依赖的复杂光学元件或高电压。

媲美商用技术的精度

在实验室测试中，该原型机展现出了与传统光谱仪相当的精度。其灵敏度也与市售光电探测器相当。

“我们创造的光谱仪运行速度快、工作电压低，并且对广谱光敏感，”奥康纳说。“我们的演示原型机只有几平方毫米大小 —— 可以放进你的手机。如果你想，甚至可以把它做得像单个像素那么小。”

“光谱仪是帮助我们理解各种材料化学和物理性质的关键工具，其原理基于光与这些材料相互作用时发生的变化，”他补充道。“它们的应用范围从制造业到生物医学诊断。然而，目前市场上最小的光谱仪仍然相当笨重。”

奥康纳将此视为迈向消费级光谱技术的第一步。

“长远来看，我们的目标是将光谱仪带入消费市场，”他说。“该技术的尺寸和能耗需求使其能够集成到智能手机中，我们认为这将催生一些令人兴奋的应用。”

这项题为“基于偏置可调串联有机光电探测器的单像素光谱仪”（"Single pixel spectrometer based on a bias-tunable tandem organic photodetector"）的研究发表在《Device》期刊上。

研究团队包括来自北卡罗莱纳州立大学工程和材料科学系的研究人员与学生。该工作获得了美国国家科学基金会（National Science Foundation）和海军研究办公室（Office of Naval Research）的资助。