中國團隊攻克紫外光譜成像難題 微型芯片實現納秒級響應

300 多年前，牛頓用三棱鏡分解陽光開啟光譜學時代；如今，中國科學家以一枚芯片重塑光譜技術格局。近日，中國科學技術大學孫海定教授團隊聯合武漢大學劉勝院士團隊，成功研制出微型紫外光譜儀芯片并實現片上光譜成像，相關成果發表于《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空白，將光譜儀從 “半張實驗桌大小” 壓縮至芯片級別，響應速度達納秒級，為生物檢測、環境監測等領域帶來革命性變革。

光譜儀作為探測物質、認識世界的核心工具，已廣泛應用于科研、工業、深空探測等領域。但傳統光譜成像技術依賴幾何分光與機械掃描，存在系統復雜、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，片上微型化技術長期處于空白狀態，成為制約行業發展的關鍵瓶頸。“現有光譜儀動輒數十公斤，價格數十萬甚至上百萬元，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、有機物檢測至關重要，技術空白導致相關領域只能依賴大型設備，應用場景嚴重受限。

為破解這一難題，研究團隊另辟蹊徑，摒棄傳統光學分光思路，提出基于氮化鎵基（GaN）級聯光電二極管的創新架構。該芯片采用 N-P-N 背靠背級聯二極管設計，通過外加偏壓調控載流子傳輸行為，實現 “可編程” 的光譜響應 —— 每一個偏壓對應一條獨特響應曲線，多個偏壓組合形成多通道光譜探測單元，再結合深度神經網絡算法重構完整光譜。“這種設計極致簡單卻極具巧思，只需基本半導體知識就能理解其原理，卻解決了傳統技術無法攻克的微型化難題。” 審稿人對這一創新架構給予高度評價。

實驗數據顯示，該微型芯片在 250-365nm 紫外波段表現卓越：光譜分辨率達 0.62nm，時間響應小于 10 納秒，較現有微型光譜儀快上千倍，刷新國際同類產品響應速度紀錄。更重要的是，芯片采用 2 英寸晶圓大規模制備工藝，完全兼容現有半導體制造體系，成本可降至傳統光譜儀的百分之一。“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、無人機中，讓光譜檢測走進日常生活。” 共同第一作者余華斌博士表示。

在應用驗證中，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行檢測，成功通過光譜成像清晰區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、食品安全監管、環境實時監測等領域具備廣闊應用前景。“納秒級響應速度使其能捕捉瞬態物理化學過程，為生物制藥、深空探測等高端領域提供新工具。” 劉勝院士補充道，團隊已提前布局專利申請，推動技術產業化落地。

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

業內專家預測，該技術的產業化將帶動紫外檢測設備市場的重構，相關應用領域有望實現從 “實驗室檢測” 到 “現場實時監測” 的跨越，為生物醫藥、環境保護、食品安全等行業注入新動能。目前，團隊正推進芯片性能優化與產業化合作，預計未來 3-5 年，基于該技術的便攜式檢測設備將逐步走向市場。