一支工程师团队已经推出了一种革命性的微型光谱仪，它可以安装在指尖上，以低电压运行，在不到一毫秒的时间内扫描从紫外线到近红外的光。

这款颠覆性的设备取代了笨重的传统光谱仪，并可能很快被嵌入智能手机中，让您在口袋里就能使用强大的材料分析、生物医学诊断等工具。其微小的光探测器可通过简单的电压变化来改变光敏度，在比像素还小的体积内实现速度和精度。

紧凑型光谱仪取得突破

研究人员开发了一种开创性的光谱仪，其体积明显小于现有型号，但仍能够精确检测从紫外线到近红外线的广谱范围内的光波长。这一进展为紧凑型手持光谱工具的研发开辟了道路，并可能促成由这些微型传感器阵列组成的高分辨率成像光谱仪的创造。

“光谱仪是帮助我们理解各种材料化学和物理特性的关键工具，其原理在于观察光与这些材料相互作用时发生的变化，”论文的通讯作者、北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程教授布兰登·奥康纳说道。“光谱仪的应用范围广泛，从制造业到生物医学诊断均有涉及。然而，目前市面上最小的光谱仪仍然体积庞大。

像素级大小的分光计

“我们研发出的光谱仪运行迅速、电压低，并且对广谱光敏感，”奥康纳（O’Connor）说。“我们的演示原型只有几平方毫米大小——它可以安装在您的手机上。如果您愿意，可以把它做得像一个像素那么小。”

这一创新设计采用了一个微型光探测器，该探测器在与给定物质相互作用后能捕捉到不同波长的光。通过调整施加在光探测器上的电压，研究人员可以控制其最灵敏的响应波长。

以极低能耗实现毫秒级速度精度

“如果你迅速向光电探测器施加一系列电压，并测量在每个电压下捕获到的所有波长的光，你将获得足够的数据，一个简单的计算程序就可以重现光线穿过目标材料或被其反射的准确特征，”奥康纳说道，“电压范围小于1伏特，整个过程可在不到1毫秒的时间内完成。”

以往制造微型光电探测器的尝试依赖于复杂的光学元件、使用高电压，或者对于如此宽范围的波长而言不够灵敏。

性能与传统设备相当

在概念验证测试中，研究人员发现他们研发的像素级光谱仪与传统光谱仪一样精确，其灵敏度可与商用光检测器件相媲美。

“从长远来看，我们的目标是将光谱仪推向消费市场，”奥康纳（O’Connor）说道。“这项技术的体积和能耗使其可以被整合到智能手机中，我们认为这将使一些激动人心的应用成为可能。从研究的角度来看，这也为成像光谱学、微观光谱学以及实验室中其他有用的应用提供了更好的获取途径。”

参考文献：《基于偏置可调串联有机光电探测器的单像素光谱仪》，作者：Harry M. Schrickx、Abdullah Al Shafe、Caleb Moore、Yusen Pei、Franky So、Michael Kudenov 和 Brendan T. O’Connor，发表于2025年7月22日，《设备》期刊。DOI：10.1016/j.device.2025.100866

题为《基于偏置可调串联有机光电探测器的单像素光谱仪》的论文发表于《设备》期刊。论文的第一作者是北卡罗来纳州立大学 (NC State) 的前博士生哈里·施里克斯 (Harry Schrickx)。该论文的其他作者包括北卡罗来纳州立大学前博士生阿卜杜拉·沙菲 (Abdullah Al Shafe)、前本科生迦勒·摩尔 (Caleb Moore)、博士生于森培 (Yusen Pei)、材料科学与工程沃尔特与艾达·弗里曼杰出教授弗兰基·索 (Franky So) 以及电气与计算机工程约翰与凯瑟琳·阿米恩家族杰出教授迈克尔·库德诺夫 (Michael Kudenov)。

这项工作得到了美国国家科学基金会（授予编号：1809753和2324190）和美国海军研究办公室（授予编号：N000142412101）的资助。

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