近红外片上光谱芯片：能否引领“万物可感知”的智能技术革命？

    用移动终端扫描水果即可实时获取含糖量与农药残留数据，借助可穿戴设备实现血糖水平的无创实时监测，通过无人机巡查湖泊便能快速生成水质分析报告——这些曾局限于科幻设想的场景，正随着近红外片上光谱传感芯片的技术突破，逐步从概念走向现实。作为“片上光谱分析”领域的核心创新成果，该芯片以微型化、高性能的技术特征，打破了传统光谱技术的应用边界，为“万物可感知”的智能时代提供了关键技术支撑。

    光谱被学界誉为物质的“光学指纹”，其核心原理在于不同物质在光照条件下，会对特定波长的光产生吸收或反射效应，形成具有唯一性的光谱特征。通过解析这些特征信号，可精准识别物质的化学成分与构成比例，这一特性使光谱技术成为物质分析领域的核心手段。然而，传统光谱仪长期面临体积庞大、制造成本高昂、操作流程复杂等技术痛点，始终局限于实验室场景应用，难以向民用消费、现场检测等多元化场景延伸。因此，推动光谱技术普及的核心命题，在于突破“微型化”技术瓶颈——如何在微米级芯片载体上，同时实现宽广的检测波段覆盖与超高的光谱分辨率，即兼顾“宽波段探测”与“高精准识别”双重目标。

    近红外波段因蕴含丰富的分子振动与转动光谱信息，成为物质成分无损分析的理想波段，在医疗健康、农业生产、环境监测等领域具有不可替代的应用价值。但长期以来，该波段相关技术发展受限于两大难题：一是探测器制造成本居高不下，系统集成结构复杂，导致长波近红外便携化应用进展迟缓；二是现有芯片级光谱方案存在性能失衡问题——部分方案需集成数百个探测单元，显著增加了系统复杂度与制造成本；另一部分方案则受限于工作波段狭窄，无法满足实际应用中的宽范围检测需求。尽管近年来微型光谱仪相关研究持续推进，但多数成果未能在“分辨率”“带宽”与“成本”三者间实现有效平衡，尤其在近红外波段，探测器与光谱滤光片的片上集成工艺复杂、对准精度要求严苛，进一步制约了技术产业化进程。因此，研发高性能、低成本、易制造的近红外片上光谱系统，成为该领域亟待突破的关键课题。

    针对上述技术瓶颈，河南省科学院物理研究所研究团队提出了创新性技术方案，研发出“滤波器与探测器直接单片集成”的新型光谱芯片架构，实现了滤波功能与探测功能的结构深度融合。在核心器件设计上，团队创新研发周期可调谐纳米孔阵列结构，构建高性能等离子体窄带滤波片，该滤波片的窄带滤波能力可达5nm，Q因子高达284，为高分辨率光谱重建奠定了关键硬件基础。

    在集成工艺层面，该芯片通过SiNₓ间隔层将滤波结构与InGaAs光电探测器直接实现单片集成，成功省去传统工艺中复杂耗时的对准步骤，不仅大幅提升了器件制造效率，还显著增强了产品的一致性与可靠性。在系统设计上，芯片采用4×4共16通道的超像素架构，每个像素单元集成16个不同中心波长的滤光单元，实现900-1700nm近红外关键波段的全面覆盖。结合先进的计算光谱重建算法，该架构可通过少量通道采集的数据，高精度复原完整连续的光谱信息。此外，该芯片还成功实现片上多光谱成像功能，所重建的图像具备边界清晰、光谱保真度高的技术优势，为后续多元化应用场景落地提供了坚实支撑。

    凭借紧凑的集成架构、优异的光谱性能与可扩展的制备工艺，该芯片级光谱技术展现出广阔的应用前景与产业化潜力。在医疗健康领域，其可集成于手持检测设备或可穿戴终端，实现血糖、血液成分等健康指标的无创实时监测，为个人健康管理提供精准、便捷的技术支撑；在智慧农业领域，搭载该芯片的无人机可对农田进行大范围快速扫描，精准识别作物长势、病虫害发生情况及土壤养分含量，为精准施药、智能灌溉、科学种植提供数据驱动支持；在工业与环境监测领域，该技术可用于化学品现场快速识别、水体污染实时检测，以及食品、药品等产品的安全筛查，为安全生产与环境治理提供可靠技术保障。

    目前，该项研究成果发表于Nanophotonics期刊。作为河南省科学院物理研究所为第一单位、郑麒麟博士为第一作者、何小波研究员为通讯作者的重要研究成果，该项目得到了河南省科学院基本科研业务费、国家自然科学基金、河南省科技攻关项目等多项课题资助，绍兴大学梁丽博士、佛山大学张宇博士为研究提供了重要技术支持。

    从实验室中的大型台架设备到嵌入移动终端的微型芯片，光谱技术的每一次微型化突破，都在推动人类向“万物可感知”的智能世界稳步迈进。近红外片上光谱芯片的技术创新，不仅解决了传统光谱技术的应用痛点，更构建了连接实验室技术与民生需求的桥梁。随着该项技术的持续成熟与产业化推广，其将在医疗健康、农业生产、环境治理等多个领域引发深层次变革，以科技赋能生活品质提升，让健康管理更精准、食品安全更可控、环境监测更高效，为构建智能、安全、可持续的未来社会提供核心技术支撑。