导读

近日，上海交通大学医学院附属瑞金医院医学芯片研究所、上海近观科技有限责任公司、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、上海微技术工业研究院的陈昌研究员及其团队在芯片级氮化硅拉曼光谱仪取得突破性成果。研究团队采用多孔径耦入的策略，显著提升了拉曼光信号的采集通量；创新引入垂直出射光栅，实现了超紧凑的干涉调频结构；深入研究多种回归算法，实现了对乙酰氨基酚、布洛芬、异丙醇、葡萄糖等多种物质拉曼光谱的解析。该工作基于CMOS兼容的200 mm晶圆平台（图1a），具有高度可扩展性，并具备商业化应用的低成本优势。相关成果以“Scalable Miniature On-chip Fourier Transform Spectrometer For Raman Spectroscopy”为题，发表于国际顶尖光学期刊《Light: Science & Applications》。论文通讯作者为陈昌研究员、Sarp Kerman博士，第一作者为Sarp Kerman博士。

研究背景

拉曼光谱技术通过分子的“指纹图谱”精准鉴定物质成分，具有高特异性、非接触测量、样品需求少的优势，尤其适用于无创血糖检测等关键场景。然而，拉曼信号在散射介质（如人体皮肤）中强度很弱且高度发散，需要光谱仪同时满足高光通量和高分辨率。对于传统色散型光谱仪，这两个性能难以同时满足；而傅里叶变换拉曼 (FT-Raman) 光谱仪采用一系列干涉结构并通过计算重建光谱，可以解决此问题。尽管已有研究将傅里叶变换光谱仪（FTS）微型化集成至单个光子芯片上，但由于单模波导的光通量有限（λ²量级），其在拉曼光谱检测方面的能力尚未得到验证。

创新研究

研究团队通过将多个输入波导孔径与一系列紧凑型干涉仪相连，使光学通量随孔径数量线性增加（图1b），在保证光谱分辨率的同时实现高通量的拉曼光收集。在此方案中，研究人员将光信号整形并聚焦，形成与输入波导阵列相匹配的光片（图2a），并通过边缘耦合器将光耦合进芯片，从而保证高效率的光输入。

为了进一步缩小器件尺寸并提升单位长度的光学通量，团队创新性地设计出基于垂直输出光栅（VGC）和金属反射镜的超紧凑、低相位误差的干涉仪（图1b、1c）。该设计摒弃了传统马赫-曾德尔干涉仪（MZI）所需的分光器、弯曲波导和合束器，大幅降低了器件体积。其工作原理是：前向与后向传播的光在VGC区域垂直输出，相互干涉并形成随波长变化的驻波，从而记录不同干涉结构的波长特性。此外，该干涉仪采用仅支持基模的宽“多模”波导构建光程差，高阶模式在进入干涉结构前被单模波导滤除。这种设计通过减少模式与波导侧壁的相互作用，显著提升了工艺容差，并降低了相位误差。

干涉仪阵列在每个VGC处输出特征矩阵（图2b）和拉曼响应，采用回归算法可重建拉曼光谱。通过对不同的回归算法进行深入研究，最小绝对值收敛和选择算子（LASSO）回归算法表现尤为突出，可实现0.2 nm的光谱分辨率，且重建结果稳定性极佳。基于该优化算法，研究团队成功重建了对乙酰氨基酚、布洛芬、异丙醇和葡萄糖等多种物质的拉曼光谱。与商用光谱仪的测试对比表明，重建光谱的皮尔逊相关系数达0.95（图2c），准确性极高。

图1. a, 200 mm氮化硅晶圆及光谱仪芯片；b, 多孔径波导傅里叶变换光谱仪 (FTS) 示意图；c, 超紧凑干涉仪的横截面示意图及电镜图。

图2. a, 对乙酰氨基酚拉曼光片；b, FTS光谱仪特征矩阵；c, 商用光谱仪和FTS光谱仪拉曼光谱对比。

应用与展望

该工作成功将芯片级拉曼光谱仪应用于多种物质的鉴定，为微型化、低成本的拉曼光谱仪提供了全新解决方案，在无创血糖检测、稀有矿物质鉴定、药物成分分析、环境污染物监测等非接触式测量中具有极高的应用潜力。

此外，研究团队与上海交通大学医学院附属瑞金医院国家内分泌代谢病临床研究中心王卫庆教授团队合作提出多重微空间偏移拉曼光谱技术（mμSORS），并展开大量临床研究，成功实现了高精度、无需校准的无创血糖检测。这项开创性成果发表于国际权威期刊《自然-代谢》（Nature Metabolism），获得了该期刊专家的高度评价：“其扎实的临床数据和可行的方法，为无创血糖监测这一难题提供了令人信服的解决方案”。瑞金医院在官方发文中详细介绍了此技术，并评价此技术“为大规模应用奠定了很好的通用性基础”。

未来，通过将mμSORS技术与本研究开发的芯片级拉曼光谱仪结合，可实现无创血糖仪核心元件的微型化和低成本化。这一突破将推动无创血糖监测设备覆盖医院、家庭等多个应用场景，在提升患者依从性和生活质量的同时，为糖尿病管理等分子检测领域带来革命性变革。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01861-7