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Science:用纳米线取代牛顿玻璃棱镜,将光谱仪缩小1000倍!

发布:opticseditor    |    2019-09-11 10:21    阅读:801
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据麦姆斯咨询报道,科学家利用纳米线技术设计了一种超微型光谱仪,可以在不需要显微镜的情况下对单个细胞进行成像,还可以嵌入智能手机摄像头进行化学指纹图谱分析。

该器件由单根带隙渐变纳米线制成,比人类的头发丝还要薄1000倍,是迄今为止尺寸最小的光谱仪设计。它可以嵌入智能手机的摄像头,其潜在应用包括:评估食品新鲜度、药物质量、甚至识别假冒物品。更多内容参见Science期刊,DOI: 10.1126/science.aax8814。


17世纪,牛顿通过对棱镜分光的观测研究,为我们研究光与物质之间的相互作用——光谱学这一新领域播下了种子。如今,光谱仪已成为工业以及几乎所有科学研究领域的重要工具。通过光的特性分析,光谱仪可以告诉我们远至数百万光年外银河星云的变迁,小至蛋白质分子的表征。

然而,即使是现在,大多数光谱仪都还是基于类似牛顿用棱镜所展示的分光原理。这从根本上限制了光谱仪的尺寸,使它们通常体积庞大且复杂,很难缩小到比硬币更小的尺寸。在牛顿之后四百年的今天,剑桥大学(University of Cambridge)研究人员攻克了这一挑战,他们制造了一款比之前报道的所有系统还要小一千倍的光谱仪。

这支剑桥研究团队与来自英国、中国和芬兰的研究人员一起合作,采用一种材料成分沿其长度变化的纳米线,使其能够响应可见光中不同颜色的光。他们还利用了类似制造计算机芯片的半导体技术,在该纳米线上创建了一系列光谱响应区域。


“我们设计了一种纳米线,使我们能够摆脱棱镜等分光元件,打造比传统光谱仪更简单、超小型化的系统。”该论文第一作者、剑桥大学石墨烯中心(Cambridge Graphene Centre)杨宗银博士说,“从纳米线各区域获得的响应可以直接输入计算机算法,以重构入射光谱。”

“当我们用相机拍照时,存储在像素中的信息通常仅限于红光、绿光、蓝光三个部分,”该论文共同第一作者Tom Albrow-Owen说,“而利用我们开发的光谱仪器件,每个像素都包含整个可见光谱的数据点,因此我们可以获取远超人眼色彩感知能力的丰富信息。例如,这甚至可以告诉我们图像中所发生的化学过程。”

“我们的方案可以使光谱设备实现前所未有的小型化,在某种程度上可以将它们直接整合到智能手机中,将强大的光谱分析技术从实验室缩小到人们的手掌中。”领导该研究的Tawfique Hasan博士说。

生物学或将是该技术最有前景的潜在用途之一。由于这种器件非常小,因此无需显微镜即可直接对单个细胞进行成像。与其它生物成像技术不同,纳米线光谱仪获得的信息包含每个像素的化学指纹图谱的详细分析。

此外,该技术在工业和个人应用方面都很令人兴奋。它可用于无人机进行环境监测和污染物检测,评估药品质量。它还可以识别各种假冒商品。通过将分析能力从可见光扩展到红外波段,它还可以用来评估水果的成熟度。想知道你拿着的苹果含有多少糖份?直接用集成这种超微型光谱仪的智能手机瞄准这个苹果即可得到答案。

研究人员希望他们打造的平台能够实现覆盖紫外到红外波段的全新一代超紧凑光谱仪。该技术可用于广泛的消费、科研和工业应用,包括芯片实验室(lab-on-a-chip)系统、生物植入物以及智能可穿戴设备等。

剑桥团队已经为该技术申请了专利,并希望在未来五年内诞生实际的应用。

“值得注意的是,我们研究成果的意义不仅在于我们展示的光谱仪,我们构建的是一个平台。”Hasan博士说,“如果采用在某些波长区域具有不同带隙的光敏材料,那么基本上我们可以使用相同的概念、相同的平台,打造各种新的光谱仪。”

来源:麦姆斯咨询

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