基于有机光电探测器的单像素光谱仪：利用偏置电压可调实现光谱重建
2025-08-02 10:52:12 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
这款突破性微型光谱仪能够精确地探测宽波长范围的光：从紫外光到近红外光。这一技术进步为手持式光谱工具的出现打开了大门，并可能促成基于有机光电探测器阵列构建高分辨率成像光谱仪的诞生。
据麦姆斯咨询报道，近期，美国北卡罗莱纳州立大学（North Carolina State University）的研究人员开发了一款可置于指尖的革命性单像素光谱仪，它可在低电压情况下工作，能在1毫秒内实现紫外到近红外（400nm～1000 nm）波长范围内的偏置电压可调光谱传感。
小巧、快速且功能强大的光谱仪有望被集成于智能手机，将把实验室级的光谱分析能力“装”进口袋。
这款计算重建型光谱仪将取代笨重的传统光谱仪，并且有望被集成于智能手机，让材料分析、生物医学诊断等强大工具真正“握在手中”。该光谱仪搭载的有机光电探测器（OPD）通过简单的偏置电压调节即可改变针对不同波长的光谱响应，同时实现宽带、高速、高精度测量。
偏置电压可调的有机光电探测器
这款突破性微型光谱仪能够精确地探测宽波长范围的光：从紫外光到近红外光。这一技术进步为手持式光谱工具的出现打开了大门，并可能促成基于有机光电探测器阵列构建高分辨率成像光谱仪的诞生。
相关研究成果以“Single-pixel spectrometer based on a bias-tunable tandem organic photodetector”为题发表在Device期刊上。该论文的通讯作者Brendan O'Connor教授表示：“光谱仪是帮助人们了解各种材料的化学和物理特性的关键工具，其原理是基于光与材料相互作用时发生的变化。光谱仪的应用场景广泛，从制造业延伸至生物医学诊断。然而，目前市场上的光谱仪仍相当笨重。”
这款微型光谱仪让手持式光谱仪的量产成为可能，并为研发集成新型有机光电探测器阵列的下一代成像光谱仪带来了希望。上图展示了基于有机光电探测器的光谱仪原型。
Brendan O'Connor说道：“我们研发的这款微型光谱仪不仅运行速度快、工作电压低，还能对广谱光保持高灵敏度。我们的光谱仪演示原型仅几平方毫米大小，完全可以集成在智能手机中。若有需要，甚至能将其缩小至一个像素大小。”
微型光谱仪概念和工作原理
这款微型光谱仪的创新设计在于：搭载的有机光电探测器可在与目标材料相互作用后探测不同波长的光。通过调节施加在有机光电探测器上的偏置电压，研究人员就能调控它对特定波长的光的灵敏度，并且具有快速响应和高探测率，支持微光探测。
基于串联式有机光电探测器的光谱仪演示
有机光电探测器特性
Brendan O'Connor解释道：“如果在有机光电探测器上快速施加一系列偏置电压，并记录每个偏置电压下探测的所有波长的光，那么就能获得足够多的光谱数据。此时，通过一个简单的计算程序便可重建穿过目标材料或经其反射的光的精确特征图谱。整个过程的电压变化范围不到1伏，耗时不到1毫秒。”
以往研发有机光电探测器时，要么依赖复杂的光学元件，要么需要较高的偏置电压，要么无法对如此宽范围的波长保持敏感。
在概念验证测试中，研究人员发现这款像素级光谱仪的精度与传统光谱仪相当，有机光电探测器的灵敏度也可媲美商用光电探测器。
Brendan O'Connor表示：“从长远来看，我们的目标是将光谱仪推向消费类市场。这项新技术的尺寸和能耗特点使其能够集成到智能手机中，我们认为这将催生一系列令人兴奋的应用。从科研角度来看，这也为改善成像光谱学、显微光谱学以及实验室中其它光谱应用的获取途径铺平了道路。”
论文信息：DOI: 10.1016/j.device.2025.100866
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