红外激光光谱仪触手可及

传感应用向前迈出了一大步，这要归功于光子芯片光谱仪，它提供了台式实验室仪器的性能

作者：BROLIS SENSOR TECHNOLOGY 的 AUGUSTINAS VIZBARAS

红外光谱技术是二十世纪上半叶发展起来的一种有效的、被广泛采用的分析有机和无机化合物的实验室技术。通过测量物质与红外辐射的相互作用，这种光谱形式可以识别物质的成分，确定化学物质的存在与否，并提供定量和定性分析。当辐射指向一种物质时，被吸收的光子具有与分子特定的振动频率一致的能量。由于每个不同的分子都有独特的分子特异性吸收光谱，因此可以识别物种并测量它们在样品中的浓度。

从红外光谱中获得的巨大洞察力导致光谱仪在许多应用中的使用。这项技术应用于生物医学领域，用于分析生物体液、组织和药物；它被部署在工业领域，例如涉及化学品、生物反应器、石油化工和聚合物技术的领域；它在环境中受到重视，提供气体分析和污染监测等功能；它存在于食品工业中，提供微量元素检测并揭示成分；它还用于农业和兽医应用。

图 1. 在透射模式中测量样品时红外光谱的基本原理。 方向包括：(a) 宽带光源和静态滤光器，(b) 宽带光源和可调谐滤波器，以及 (c) 可调谐光源。BB 是宽带光源的缩写，Sample 是样品，Filter 是光谱滤波器/波长鉴别器，D 是辐射检测器。

表 1 (a) 用于芯片上 GaSb/硅光谱仪的光源（激光器）。

红外光谱是如此普遍，以至于在每个政府、监管或工业实验室中都能找到它，它提供了一个黄金标准。 请注意，仪器有多种形式，从通用台式傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）到不同设计的激光光谱仪和拉曼光谱仪。

不幸的是，所有这些高端工具都体积庞大而且价格昂贵，限制了它们在实验室中的使用。 将它们直接部署在现场会好得多，可以提供在线的现场监控。然而，这样做成本太高了，无法更好的控制处理过程，并实时识别与预期过程的偏差。 相反，当今天使用红外光谱仪时，它提供的结果是离线的——通常是非现场的。

实时收集结果非常有益。除了提供即时反馈外，它还揭示了动态--也就是给定时间段内的趋势。很少或永远无法从单个数据点中推断出趋势。

光谱学的另一个吸引人的特点是它的通用性。这项技术能够识别和量化许多不同的分子。虽然为每个分子调整数据算法至关重要，但从硬件的角度来看，技术是相同的，因此是通用的。因此，可以扩展技术，降低成本并提高采用率。硬件的选择决定了成本、外形因素和性能。光谱仪设计人员面临的另一个决定是所使用的配置（图1中显示了几个配置）。

不同类别的红外光谱仪之间的关键区别之一是用于波长识别的技术。这可以是静态的、动态的，或者两者的组合。采用哪种方法会产生重大影响，影响许多系统特性，包括频谱功率密度、组件数量、功耗和占位面积。它们的值可能会限制小型化的水平。

典型的最先进的FTIR光谱仪的标价在20,000欧元到70,000欧元之间，尺寸约为1 m x 0.6 m x 0.2 m，重量约为30 kg。这些台式仪器具有一个或多个宽带光发射器，如白炽灯或黑体辐射器。这类光源提供了较宽的发射光谱，但这是以低总输出功率和低功率密度为代价的。

移动镜干涉仪确保波长辨别或过滤，而检测由单个光电探测器执行。

光谱学的另一个吸引人的特点是它的通用性。这项技术能够识别和量化许多不同的分子。虽然为每个分子调整数据算法至关重要，但从硬件的角度来看，技术是相同的，因此是通用的。

对于静态滤波，仪器设计人员可能会转向棱镜或阵列波导光栅。这些光学元件在空间上分离不同的波长，这些波长由单独的光电探测器检测。

另一种方法是使用波长可调激光器在激光器侧进行波长鉴别。这种方法的优点是最大限度地减少组件数量，并采用尽可能高的光谱功率密度，但存在与可调谐激光器相关的复杂性。 这可以是外腔可调谐激光器的形式，用于最先进的光谱应用，例如冷原子到气体传感，以及爆炸物和毒品的检测。然而，到目前为止，这种方法的缺点是激光器的高成本和复杂性，阻碍了这种精密仪器在许多应用中的部署。

芯片光谱仪

在立陶宛维尔纽斯的 Brolis Sensors Technology，我们正在使用基于GaSb的芯片来改变这种现状——它们有望彻底改变传感市场。 一年前，在本杂志2021年的第一版中，我们详细介绍了实现芯片光谱仪的途径，该光谱仪有可能推动传感应用领域的范式转变。 12个月过去了，我们现在可以分享我们的最新进展，这些进展将我们的技术推向了多个市场。

半导体技术以可规模化而闻名。在高度并行的技术、低成本的潜力和极小的外形尺寸等优势的推动下，使得可以广泛采用它。所有这些特性都适用于红外光谱—它具有在广泛应用中部署的巨大潜力，并推动从目前的场外实验室测试向实时测量能力的转变。为了实现这一点，光谱仪的所有功能模块——包括光源、波长鉴别器或滤波器以及检测器——都需要是可以结合在一起的基于半导体的技术。

在红外线方面，III-V族是生产光源和光电探测器技术的理想选择，不同的材料更适合不同的光谱区域。GaAs和InP在从消费者到数据通信的市场中得到了很好的认可，而在实际的市场应用中，GaSb要么被忽视，要么很大程度上未被开发。然而，GaSb在光谱学和传感应用方面具有最大的潜力。

表1 (b)。 用于GaSb/硅片上光谱仪的检测器技术。

表 1 (c) 用于GaSb/硅片上光谱仪的PIC技术。

Brolis 在立陶宛维尔纽斯（Vilnius, Lithuania ）和比利时根特（Ghent, Belgium.）运行的所有内部硬件基础设施。

我们的方法涉及使用可广泛调谐的激光器，通过将基于GaSb的增益芯片与硅光子集成电路的混合集成来实现，该集成电路包含所有波长调谐、滤波和锁定块。在由离散的基于GaSb的光电探测器或它们的阵列收集之前，将光信号发送到被测对象。这些光电探测器的响应针对激光光谱仪的光谱进行了优化（有关技术平台的主要技术特征，包括必要的半导体成分，请参见表 1）。

我们的芯片光谱仪的特点之一是将GaSb增益芯片边缘耦合到PIC侧的模式转换器。优化这种耦合并不容易，需要优于0.5 μm的对准公差。我们通过胶水或焊料（例如 AuSn）进行集成来满足这一要求。倒装芯片集成光电二极管的线性阵列监控内部信号，例如激光输出和波长锁定程度。

对于我们的初始原型，我们生产了一个4通道芯片，其占位面积仅为5.6 mm²。该器件的光谱覆盖范围大于400 nm （参见图 2）。增加或减少通道的数量很容易，以使它们适合最终的应用。

我们选择了4通道配置来展示我们技术的前景，因为这提供了一种适用于许多应用的光谱仪。 例如，涉及液体或组织等液相物体传感的应用需要较大的光谱带宽。 通常，200 nm到300 nm之间的带宽足以监测一个或多个吸收相同光谱区域的分子。我们选择的光谱范围从1850 nm 到2450 nm，可以覆盖各种分子，包括葡萄糖、乳酸、尿素、乙醇、乳糖、白蛋白、胆固醇、乳脂和乳蛋白。

图 2. (a) Brolis在立陶宛维尔纽斯和比利时根特拥有所有内部硬件基础设施。 (b) 位于1欧分硬币旁边的PCB上的Brolis 4通道芯片激光光谱仪（左），以及芯片上系统的特写镜头（右）。光学输出与芯片表面垂直。

此外，我们可以识别和监测大分子化合物，因为它们具有特定的光谱形状。这包括胶原蛋白和胡萝卜素之类的物质（见图 3，图中显示了芯片光谱带宽内的几种不同的分子）。请注意，通过使用两个通道，我们可以感知光谱上靠得很近的分子（参见图 4）。

对于涉及光谱传感的应用，需要考虑：模式纯度、扫描速度或速率、波长的稳定性以及给定波长的功率稳定性。此外，对于手持、可穿戴或电池供电的产品，输出功率和输入功率也很重要。

早在去年年初，我们就无法对与这些考虑因素相关的问题给出确切的答案，因为我们能够完成的工作取决于我们技术的所有层面—从芯片、PIC到集成的优化和成功组合.直到最近几个月，我们才终于能够阐明这些答案可能是什么。

图 3. 落入Brolis光谱仪芯片带宽的不同分子的归一化吸光度。

我们最新的集成芯片光谱仪可在每个波长上提供纯单模操作。当提供快速扫描时，仅需约 12 ms即可记录约300 nm左右的图像，分辨率至少为0.3 nm。通过降低速度，可以通过额外的相位控制提供完全连续的调谐，这可能是液体或多气体传感或两者兼有所需要的。

我们的芯片光谱仪的两个显著特点是其稳定性和模式纯度。在265 nm带宽内的整个操作中，边模抑制比保持在50 dB以上（见图 4）。这是任何桌面系统或仪器都难以超越的。

图 4. 分辨率为0.3 nm的2 道芯片激光光谱仪的光谱输出。

 图 5. (a) 被测的Brolis 芯片光谱仪。 (b) 芯片光谱仪的波长精度，在近100万个波长的不间断扫描和14小时的扫描期间确定。没有任何异常值校正的准确度至少为 97%。 (c) 在连续扫描近100万个波长和 14 小时的扫描过程中，芯片光谱仪在波长波动下的相对功率。 功率稳定性优于99%。

我们的专利技术的其他特点是，在长时间的不间断运行中具有出色的波长和功率稳定性（参见图 5）。 在没有任何异常值校正软件的帮助下，我们在设定波长下实现了超过99%的相对功率稳定性。在长时间不间断运行期间，波长稳定性（即设定波长与实际波长之间的准确度）为97%。 同样，大多数台式实验室仪器很难达到如此高的性能水平。但在我们的例子中，它来自一个很小的芯片。这突出表明，我们拥有一项伟大的技术，通过扩大产品范围，为大量应用提供服务，在推进光谱学方面具有真正的潜力。

我们技术的另一个优势是它的额定功率——主要是功率输出和功耗。重要的是要指出，没有通用的输出功率水平来区分什么是所有应用都可以接受的，什么是不可以接受的。相反，必须根据具体情况制定标准。然而，话虽如此，有些数字是可以定义的。根据我们自己的内部工作，我们发现大多数体外应用在使用我们的GaSb探测器时需要大约0.1-0.2 mW的连续激光功率。请注意，这是单模激光器的水平，与宽带发射器的总功率不一致，而是应该与通常以功率/nm 表示的光谱功率密度进行比较。

控制芯片光谱仪功耗的是它的激光器。为了最大限度地减少其消耗，其阈值电流应尽可能低，因为这可确保在尽可能低的驱动电流下实现工作输出功率。由于我们通常会达到20 mA到 50 mA之间的阈值，因此我们可以在100 mA到150 mA的电流范围内工作，并使用大约100 mW的输入功率。这种能力在非常广泛的应用中很有前景——从植入式生物传感器到可穿戴设备、手持设备和远程操作传感器。通过将低功耗、小尺寸和单片设计相结合，我们的光谱仪可在较长时间内提供稳定和简单、可靠的操作。

前方的路

我们正在为我们的产品以及它们将服务的应用程序的开发寻求并行路径（参见表 2）。 从本质上讲，我们的产品是“简单引擎”加上数据。对于每个新应用，每个新分子都需要一个专门的应用开发实验活动。由于这会给资源带来成本，我们必须根据资源需求、市场机会和战略利益等因素，慎重决定追求什么。

表 2. Brolis 光谱传感器产品列表和市场准备情况。

在奶牛场，光谱传感允许对个体奶牛进行关键分子数据监测。这可以包括监测乳糖、脂肪和蛋白质，并提供对生产力和畜群健康状况的洞察。通过利用积累的数据模型，农民可以预见酮症、乳腺炎和酸中毒等健康问题的发生。这些信息可能会导致无抗生素治疗并最大限度地减少离线损失。对于那些经营奶牛场的人来说，其他关键指标是牛奶的总量以及牛奶中蛋白质和脂肪的含量。个体动物数据监控可以捕获所有这些信息，并实现有效的牛群选择，并最终提高企业的盈利能力（我们的在线奶牛场传感器提供的性能数据参见图 6）。

图 6. (a) Brolis在线牛奶分析仪。芯片光谱仪实时测量挤奶过程中牛奶的成分。(b) 用于牛奶脂肪、乳糖和蛋白质的在线、流动、实时牛奶分析仪的准确性。 (c) 牛奶分析仪一天的趋势数据与牛奶脂肪、蛋白质和乳糖的实验室参考值进行比较。

图 7. (a) 糖尿病患者的体外血糖预测准确度略高于 1 mmol/l 或 20 mg/dl。 (b) 动物研究中5天经皮血液乙醇检测的体内趋势。 1 permil 血液乙醇是可见的，并通过皮肤检测到。

还有一些重要的、具有挑战性的、高潜力的应用涉及血液。我们的目标是研制一种体外手持式血液光谱仪，方法是研制一种传感器可以来检测多种分子的，如葡萄糖、乳酸、胆固醇和尿素。这种组合提供了对饮食、肾功能、疲劳和新陈代谢的有价值的见解。我们打算在2023 年底之前准备好一个上市前的原型，该原型将适用于至少几种分子。在未来，我们还计划进行体内或非侵入式传感。我们的第一个产品将是一种非侵入性血液酒精（乙醇）传感器。我们希望通过检测和监测其他分子的设备来跟进这一点（有关我们体外和体内开发的详细信息，请参见图 7。）

牛奶和血液的光谱传感只是我们芯片技术能力的几个例子。毫无疑问，将会有更多产品紧随其后—因此，我们相信在接下来的几年中，我们将展示一些非常激动人心的产品，在功能、外形和适用性方面开辟出新天地。

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