中国团队攻克紫外光谱成像难题 微型芯片实现纳秒级响应

300 多年前，牛顿用三棱镜分解阳光开启光谱学时代；如今，中国科学家以一枚芯片重塑光谱技术格局。近日，中国科学技术大学孙海定教授团队联合武汉大学刘胜院士团队，成功研制出微型紫外光谱仪芯片并实现片上光谱成像，相关成果发表于《Nature Photonics》2025 年 12 月期。这一突破填补了紫外波段微型光谱成像技术空白，将光谱仪从 “半张实验桌大小” 压缩至芯片级别，响应速度达纳秒级，为生物检测、环境监测等领域带来革命性变革。

光谱仪作为探测物质、认识世界的核心工具，已广泛应用于科研、工业、深空探测等领域。但传统光谱成像技术依赖几何分光与机械扫描，存在系统复杂、体积庞大、价格昂贵等痛点，尤其在深紫外 / 紫外波段，受限于材料与工艺，片上微型化技术长期处于空白状态，成为制约行业发展的关键瓶颈。“现有光谱仪动辄数十公斤，价格数十万甚至上百万元，难以满足便携式、实时检测的市场需求。” 孙海定教授介绍，紫外波段对生物制药、有机物检测至关重要，技术空白导致相关领域只能依赖大型设备，应用场景严重受限。

为破解这一难题，研究团队另辟蹊径，摒弃传统光学分光思路，提出基于氮化镓基（GaN）级联光电二极管的创新架构。该芯片采用 N-P-N 背靠背级联二极管设计，通过外加偏压调控载流子传输行为，实现 “可编程” 的光谱响应 —— 每一个偏压对应一条独特响应曲线，多个偏压组合形成多通道光谱探测单元，再结合深度神经网络算法重构完整光谱。“这种设计极致简单却极具巧思，只需基本半导体知识就能理解其原理，却解决了传统技术无法攻克的微型化难题。” 审稿人对这一创新架构给予高度评价。

实验数据显示，该微型芯片在 250-365nm 紫外波段表现卓越：光谱分辨率达 0.62nm，时间响应小于 10 纳秒，较现有微型光谱仪快上千倍，刷新国际同类产品响应速度纪录。更重要的是，芯片采用 2 英寸晶圆大规模制备工艺，完全兼容现有半导体制造体系，成本可降至传统光谱仪的百分之一。“我们成功将光谱解析能力‘嵌入’指甲盖大小的芯片，未来有望集成到手机、手环、无人机中，让光谱检测走进日常生活。” 共同第一作者余华斌博士表示。

在应用验证中，团队利用该芯片对橄榄油、花生油、动物油脂及牛奶等样品进行检测，成功通过光谱成像清晰区分不同有机物的独特吸收特性及空间分布。这一成果意味着，该芯片在高通量生物分子检测、食品安全监管、环境实时监测等领域具备广阔应用前景。“纳秒级响应速度使其能捕捉瞬态物理化学过程，为生物制药、深空探测等高端领域提供新工具。” 刘胜院士补充道，团队已提前布局专利申请，推动技术产业化落地。

从实验室的 “笨重设备” 到芯片级的 “智能器件”，中国团队的突破不仅填补了技术空白，更重构了光谱仪的价值逻辑。相较于传统光谱仪的 “专业场景局限”，微型紫外光谱仪芯片以 “低成本、便携化、高灵敏度” 的优势，有望开启光谱技术普及化时代。正如孙海定教授所言：“牛顿用三棱镜让人类看见光的本质，我们希望用这枚芯片让光谱检测融入生活，为更多领域提供解码物质的‘微观钥匙’。”

业内专家预测，该技术的产业化将带动紫外检测设备市场的重构，相关应用领域有望实现从 “实验室检测” 到 “现场实时监测” 的跨越，为生物医药、环境保护、食品安全等行业注入新动能。目前，团队正推进芯片性能优化与产业化合作，预计未来 3-5 年，基于该技术的便携式检测设备将逐步走向市场。