基于可调谐带间级联激光器的紧凑型中红外光谱仪：面向酰胺I区化学传感的性能表征与应用前景

本刊推荐研究人员针对便携式中红外(MIR)化学传感的需求，开发了一种基于可调谐带间级联激光器(tICL)的紧凑光谱系统。该研究通过优化光学结构与GaAs/AlGaAs波导耦合，在1692–1640 cm?1酰胺I区实现了对乙醇/甲酸水溶液的精准检测，与FTIR基准仪器的比对验证了其可靠性，为现场快速检测提供了新技术方案。

　　

在化学分析与生物医学检测领域，中红外光谱技术一直发挥着不可替代的作用。通过探测分子键的振动频率，研究人员能够像识别指纹一样精确解析物质的化学成分。传统的傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）虽能提供高精度宽带光谱，但其庞大的体积和复杂的机械结构犹如实验室里的“巨无霸”，极大地限制了在工业现场、医疗床边检测等场景的应用。更令人困扰的是，现有微型化光谱技术往往需要在分辨率、光谱覆盖范围和体积之间做出艰难取舍——就像试图将大象装进冰箱，既要保持大象的完整，又要缩小冰箱的体积，这几乎是个不可能完成的任务。

正是在这样的背景下，由多国科学家组成的研究团队在《Sensors and Actuators A: Physical》上报道了一项突破性研究。他们成功研制出基于可调谐带间级联激光器（tunable Interband-Cascade Laser, tICL）的紧凑型中红外光谱系统，专门针对酰胺I区（1692–1640 cm^?1）的化学传感需求进行了深度优化。这个光谱区间之所以重要，是因为它包含了蛋白质分子中C=O伸缩振动的特征吸收峰，堪称蛋白质分析的“黄金频段”。团队通过精巧的光学设计将系统体积缩减了25%，同时保持了优异的检测性能，为实现真正意义上的便携式红外光谱检测迈出了关键一步。

研究团队采用了多项核心技术：首先利用电流和温度协同调控的tICL激光器，通过19个离散波数点覆盖目标波段；其次采用单模GaAs/AlGaAs波导实现增强型样品相互作用，通过衰减全反射（ATR）原理提升检测灵敏度；第三引入光学斩波器调制和百分位滤波算法处理信号，有效抑制噪声；最后通过COMSOL射线追踪仿真优化光路布局，确保激光与波导的高效耦合。所有实验样品均采用实验室配制的乙醇/甲酸水溶液体系，通过体积比稀释制备不同浓度样本。

在系统性能验证方面，研究人员开展了严谨的重复性测试。通过连续三天、多个时间点的背景电压监测，发现大多数波数点的变异系数低于5%，证明系统具有优异的稳定性。唯有1688.42 cm^?1和1673.79 cm^?1两个发射点因信号强度较弱（低于500 mV）导致变异系数超过10%，这为后续优化指明了方向。

在乙醇-水体系测试中，两组仪器都清晰捕捉到随着水分浓度增加而吸收增强的趋势——这在1640 cm^?1附近的水分子特征吸收区表现得尤为明显。虽然tICL系统由于离散采样呈现出锯齿状光谱曲线，但其浓度响应规律与FTIR基准仪器高度一致，证明了离散波数测量模式的可行性。

更令人惊喜的是甲酸-水体系的测试结果。甲酸的C=O伸缩振动峰在1710 cm^?1处出现红移，在tICL系统中于1690 cm^?1附近形成明显吸收带。不同浓度样本的测量数据呈现出完美的梯度响应，即使是浓度差异较小的样本也能清晰区分，这充分展现了系统在分辨相似样品方面的强大能力。

通过线性回归分析，研究人员进一步量化了两套系统的相关性。大多数波数点的决定系数（R2）都保持在较高水平，特别是在甲酸检测中，1690 cm^?1附近的波数点由于远离水分子干扰区，表现出最佳的相关性。而向1640 cm^?1移动时，由于水分子吸收的叠加效应，相关性逐渐降低，这恰好印证了光谱特征选择的重要性。

当研究人员挑战高浓度甲酸溶液（75-90%）时，系统在部分波数点出现了信号饱和现象。这一发现并非缺陷，而是明确了系统的动态范围边界，为实际应用中的浓度选择提供了重要参考。通过3σ准则计算的检测限（LOD）和定量限（LOQ）表明，tICL系统虽略逊于FTIR，但已完全满足实际应用需求。

这项研究的深远意义在于它成功搭建了实验室标准仪器与现场便携设备之间的桥梁。tICL系统不仅具备了与FTIR相当的检测能力，更在微型化、低功耗、抗干扰等方面展现出独特优势。其1692–1640 cm^?1的探测范围恰好覆盖了酰胺键的特征振动频段，这使得它在蛋白质构象分析、聚合物质量监控、制药过程监测等领域具有广阔应用前景。研究人员特别指出，未来通过扩展激光调谐范围、优化信号处理算法、进一步集成光学元件，完全有望实现巴掌大小的中红外光谱仪，让精准化学分析从实验室走向千家万户。