论文标题： Towards Fast Quantum Cascade Laser Spectrometers for High-Throughput and Cost-Effective Disease Surveillance

论文链接：https://www.mdpi.com/2813-446X/3/1/8

期刊名：Spectroscopy Journal

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/spectroscj

傅里叶变换红外光谱（FTIR）结合机器学习已证明可用于按蚊种类鉴别、龄期分级及疟原虫感染检测，是媒介传染病监测的有力工具。然而传统FTIR依赖Globar宽带热光源，亮度低、空间相干性差，难以满足高吸光度生物样本（如蚊虫组织）的高空间分辨率测量需求；且仪器含干涉仪光路，体积大需液氮冷却MCT探测器，不便野外现场部署。虽有机MEMS-FTIR微型化尝试，但分辨率与可靠性尚难商用。量子级联激光器（QCL）自1994年问世以来，凭借室温连续波工作、高输出功率、窄线宽、电光效率高及体积小等优势，为中红外波段快速、紧凑、低成本光谱系统提供了替代路径。本文旨在构建并评估一套基于外腔可调谐连续波QCL（EC-QCL）的紧凑型中红外光谱仪原型，克服传统FTIR在现场疾病媒介监测中的硬件局限。

研究过程与结果

本研究搭建了Littman-Metcalf型外腔构型的EC-QCL光谱系统，增益芯片前腔面增透、后腔面高反以抑制内置Fabry-Pérot激射，经硫系玻璃非球面准直镜出射光束，由金反射镜旋转偏振后入射100线/mm光栅，一阶衍射经检流计扫描镜反馈回光栅实现波长调谐，零阶衍射为输出臂。检流计由DAC卡驱动三角波扫频（127–500 Hz），波长标定与探测器（TE冷却MCT光伏型，带GaAs超半球浸没透镜及ZnSe增透窗）信号同步由ADC采集，激光温度与电流由ITC控制器管理，整体通过LabVIEW自定义程序控制。系统采用单点背景Io与样品I透射率T=I/Io及吸光度A=-log₁₀T算法处理，辅以高斯平滑与Savitzky-Golay二阶求导，使用Python 3.10自研脚本完成预处理。

Figure 1——EC-QCL外腔光路配置示意图（Littman-Metcalf型）

光谱表征显示EC-QCL在注入电流1.7 A连续波下可调谐约140 cm^-1（960–1100 cm^-1），最大输出光功率12 mW（1049 cm^-1），瞬时线宽受FTIR标定限制为≤0.3 cm^-1且全波段均一。聚苯乙烯薄膜标准样在127–500 Hz扫速下均能分辨1028与1069 cm^-1特征吸收峰，500 Hz时因传感器响应迟滞致谱带偏移约1.2 cm^-1且调谐范围缩至80 cm^-1。进一步对脱水研磨后与KBr压片之冈比亚按蚊（Anopheles gambiae）全虫样本在127 Hz、≈3 s/谱（100次平均）条件下采集950–1100 cm^-1区透射谱，识别988、1029（几丁质C-O伸缩）、1056 cm^-1三个吸收带；与商用Bruker Vertex 70 FTIR（4 cm^-1分辨率）比对二阶导数谱，三处吻合良好，仅1056 cm^-1处在EC-QCL中分辨略弱，且高阶求导略微放大高频噪声与基线漂移，归因于相干光源空间强度分布不均及驱动电路噪声，后续拟优化光斑匀化与改采漫反射/ATR模式免KBr制样。

研究总结

本文成功演示了基于市售组件搭建的连续波EC-QCL中红外快扫光谱仪对冈比亚按蚊样本在950–1100 cm^-1指纹区的快速测量能力。系统在127 Hz下调谐获取全波段光谱总耗时约3秒，吸收峰位与商用FTIR一致，可捕获按蚊特征性几丁质C-O振动信息，满足疟媒种类与龄期判别所需关键光谱区间。尽管当前QCL调谐范围（~140 cm^-1）窄于常规FTIR全波段，但对蚊虫与血液疟原虫诊断最具判别力的特征恰集中于800–1100 cm^-1，故有限波段反而提升专项筛查效率并降低数据量。原型机搭建成本约18,000英镑，未来可通过多增益芯片拼接或异质级联拓宽覆盖，适配ATR探头免去生物样本繁琐前处理，并结合机器学习分类模型推进现场验证。研究表明EC-QCL光谱技术兼具高速、紧凑、有望低成本之特点，在大规模疾病媒介与环境健康监测领域具备良好应用前景，可为红外光谱从实验室向现场常态化疫病 surveillance 转化提供硬件支撑。

Spectroscopy Journal期刊介绍

主编： Prof. Dr. Clemens Burda, Department of Chemistry, Case Western Reserve University, Millis Science Center, 10900 Euclid Ave., Cleveland, OH 44106, USA

我们鼓励科学家在光谱技术的各个方面、特性表征、理论以及其他光谱发展领域发表他们的实验和理论研究成果。光谱学涉及物质与电磁频谱任何部分之间的相互作用，并应用于所有学科，包括物理学、化学、生物化学、生物学、空间科学、材料科学和工程学等领域。来自非光子实验（如电子、中子和质子实验）的贡献同样受欢迎。

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