基于聚乙烯醇-酸致变色壳聚糖（PVA-ACS）的可逆颜色转换纳米传感标签用于增强肉类新鲜度识别

本研究针对传统红外光谱仪在便携性和现场应用中的局限性，开发了一种基于可调谐带间级联激光器（tICL）的紧凑型中红外（MIR）光谱传感系统，覆盖1692?cm?1至1640?cm?1的Amide-I区域。通过优化光学系统和单模波导设计，系统实现了对乙醇和甲酸水溶液的高灵敏度检测，结果与FTIR光谱仪高度一致，为便携式MIR传感在食品质量监测和生物分子分析中的应用提供了重要技术支撑。

　　

在化学分析和生物分子检测领域，中红外（Mid-Infrared, MIR）光谱技术一直以其高特异性和准确性被视为“黄金标准”。通过激发分子振动模式，MIR光谱能够提供化合物结构的详细信息，广泛应用于溶剂、聚合物、生物组织及食品基质的分析。然而，传统的傅里叶变换红外（Fourier-Transform Infrared, FTIR）光谱仪虽性能卓越，却因体积庞大、成本高昂以及对操作环境的严苛要求，极大地限制了其在现场快速检测和工业实时监测中的应用。随着物联网和智能传感技术的发展，市场对便携、高效且可靠的小型化MIR光谱仪需求日益迫切。

当前，尽管已有多种微型化光谱仪技术问世——如基于微机电系统（MEMS）的FTIR芯片、阵列波导光栅（AWG）光谱仪以及可调滤波器系统——但它们往往难以兼顾高分辨率、宽光谱覆盖和真正意义上的紧凑设计。此外，许多技术在复杂基质（如含水样品）中表现不稳定，光学损耗和热灵敏度等问题也使其难以走出实验室。因此，开发一种既具备良好分析性能，又适于现场应用的MIR光谱传感系统，成为一项重要而具有挑战性的任务。

在这一背景下，研究人员聚焦于激光光源的小型化与高性能化。近年来，带间级联激光器（Interband-Cascade Lasers, ICL）和量子级联激光器（Quantum-Cascade Lasers, QCL）因其高输出功率、窄线宽和可调谐特性，被广泛用于开发新一代MIR光谱仪。特别是ICL，它能够在室温下连续波（Continuous-Wave, CW）工作，覆盖3–6.5?μm波段，且功耗较低、热控制简单，十分适合集成于便携设备中。

本研究由Mehmet Can Erdem、Polina Fomina、Pranish Karki等来自挪威大学生命科学大学、IRIS Technology Solutions、乌尔姆大学及nanoplus GmbH的合作团队完成，旨在开发并系统评估一款基于可调谐ICL（tunable ICL, tICL）的紧凑型MIR光谱传感系统，工作范围集中于1692?cm^?1至1640?cm^?1——即所谓Amide-I区域，该区域主要对应酰胺化合物中C=O伸缩振动，是蛋白质、聚酰胺及相关溶剂分析的关键谱区。

为验证系统性能，研究人员以不同浓度的乙醇水溶液和甲酸水溶液为模型分析物，对比了tICL系统与商用FTIR光谱仪（Bruker ALPHA II）的检测结果。通过优化光学设计、引入单模砷化镓（GaAs）波导增强样品相互作用，并结合光线追迹仿真优化光路布局，该系统在保持高信号稳定性的同时，整体体积较上一代设计减少了25%，占地面积降低40%。

该研究论文已发表于《Sensors and Actuators A: Physical》，其核心内容不仅展示了tICL激光在Amide-I区域化学传感中的可行性，也为后续开发真正意义上的芯片实验室（Lab-on-a-Chip）系统奠定了坚实基础。

在方法部分，研究团队主要依靠以下几项关键技术：

一是采用可调谐带间级联激光器（tICL），其通过电流和温度调谐产生19个离散波数点，覆盖目标光谱区域；

二是结合单模GaAs/AlGaAs波导结构，利用衰减全反射（ATR）原理增强evanescent field（倏逝场）与样品的相互作用，显著提升检测灵敏度；

三是通过COMSOL Multiphysics进行光线追迹仿真，优化透镜和探测器位置以改善光耦合效率；

四是用高灵敏度的汞镉碲（MCT）探测器捕捉信号，并利用光学斩波器调制光束以抑制低频噪声；

五是通过峰值电压计算吸光度，建立基于Beer-Lambert定律的定量模型，并与FTIR光谱数据进行比较验证。

研究结果部分呈现了多项重要发现：

在“测量重现性验证”中，通过对背景电压的多日多次测量，发现绝大多数激光发射波数点信号稳定，变异系数（CV）低于5%，但1688.42?cm^?1和1673.79?cm^?1两个点由于信号强度较弱（低于500?mV），表现出较高的不稳定性。

在“乙醇水溶液样本结果”中，随着水浓度增加，吸光度在所有波数点均呈现上升趋势，与FTIR结果趋势一致，但tICL系统因离散采样呈现“锯齿状”谱图，某些浓度下（如20%含水量）吸光度值与参考仪器存在偏差。

在“甲酸水溶液样本结果”中，甲酸浓度与吸光度值在1690?cm^?1附近呈正相关，该区域对应甲酸C=O键振动。与乙醇样本类似，tICL数据波动较大，尤其在低波数区（接近1640?cm^?1），因水吸收干扰显著，特异性有所下降。

在“基于回归模型的激光测量比较评估”中，通过线性回归分析比较tICL与FTIR的吸光度数据，大部分波数点拟合优度（R2）较高，表明两者相关性良好。但在1688.42?cm^?1处乙醇样本的R2值较低，与先前该点信号不稳定的结果一致。此外，高浓度甲酸样本（超过75%）因信号接近探测器噪声下限，出现非线性响应。

通过检测限（LOD）和定量限（LOQ）分析，tICL系统的灵敏度虽略低于FTIR，但仍可满足实际检测需求，尤其在中低浓度范围内表现出良好的重复性和准确性。

论文在结论与讨论部分强调，本研究成功构建了一种基于tICL激光的小型化MIR光谱传感系统，可有效应用于Amide-I区域的化学检测。光学设计的优化使系统体积显著减小，同时单模波导结构展现出优异的样品相互作用能力。尽管个别激光发射点存在信号不稳定的问题，绝大多数波数点表现出高重复性和可靠性，系统在乙醇和甲酸检测中与FTIR结果高度一致。

该研究的重要意义在于，它为开发真正便携、低成本且适用于复杂基质（如含水样品、食品、生物流体）的MIR传感系统提供了切实可行的技术路径。未来，通过扩展激光调谐范围、优化控制算法、进一步提高系统集成度和环境鲁棒性，此类tICL光谱仪不仅可用于食品安全与质量监控（如蛋白质分析、腐败指标检测），还有望应用于医疗诊断、环境监测乃至工业生产流程控制，实现化学传感从实验室走向现场的重大跨越。