越过“牛顿的棱镜”纳米级光谱仪问世

  发布日期:  2019-12-01 14:09:28    

剑桥大学论文合作伙伴项目团队

美国见习记者程贾伟

买蔬菜,担心农药?拿出手机,打开相机,让微型光谱仪先为你做ct。此外,光谱仪还可以检测食品的新鲜度、蛋白质含量和糖含量。这些看似“科幻”的行动可能在不久的将来成为现实。

在这一切背后,由半导体纳米线组成的微型光谱仪是必不可少的。它的大小小于人类头发的千分之一。说它是世界上最小的光谱仪并不算过分。

“它可以集成到手机中。只要它被移动电话带走,食物的新鲜度以及食物和药物的成分就可以被检测出来。它还可以用于艺术品的鉴定,”光谱仪的发明者之一、论文的第一作者、剑桥大学石墨烯中心的博士后杨宗银(Yang Zongyin)在显微镜下放置了一条逐渐带隙的细长硒化镉纳米线。受到蓝光的激发,它发出彩虹般的荧光。

这个结果最近发表在《科学》杂志上。

牛顿棱镜

17世纪,牛顿发现阳光被棱镜折射后可以观察到颜色。这个分散实验为分光计的诞生播下了种子。通过光谱的测量,人们可以知道几百万光年以外的星系的活动,小到纳米级的分子结构,还可以用来分析物体中的化学成分。

例如,很难用肉眼区分我们每天喝的牛奶。然而,通过牛奶的光谱分析,牛奶的成分一目了然。

“每种物质都会有相应的光谱信号,例如水、乙醇和糖的吸收光谱,荧光光谱和拉曼光谱是不同的。据此,可以测定牛奶的成分、糖含量、水含量和三聚氰胺含量。”论文作者之一、上海理工大学副教授顾福星告诉中国科学报,借助分光计,人们可以快速分析食物成分。

虽然光谱仪技术目前已经成熟,但是光谱仪的小型化已经达到了极限。

"普通光谱仪包含色散元件,这是非常核心的设备."顾福兴表示,研究人员通常使用棱镜或光栅来分散入射光,然后在其后放置一个光电探测器阵列来测量不同谱线的强度信息。然而,由于棱镜光栅和其他分光元件的使用,光谱仪体积庞大。然而,减小分光和检测元件的尺寸将导致光谱仪的光谱分辨率、灵敏度和动态检测范围的显著降低。

有办法平衡仪器的大小和精度吗?多年来,国内外研究者进行了许多研究。包括但不限于使用高度集成的微电子芯片来处理信号、使用精密处理技术来使器件空间更小等。,但是没有一个突破色散的限制,例如棱镜和光栅,它们是核心器件。

谁能想到,在牛顿实验400多年后的今天,来自中国、英国和芬兰的科学研究团队找到了另一种方法,只用一条半导体纳米线就成功地克服了这个技术问题。

纳米线引领兄弟

说到这种神奇的纳米线,我们必须从8年前开始。

早在2011年,就读于浙江大学的顾福兴和杨宗银就联合发明了在单根纳米线上调节带隙的技术。用顾福星的话说,“在荧光显微镜下,得到的纳米线看起来像彩虹”。

"很容易想到牛顿棱镜实验中的七种颜色."杨宗银告诉中国科学报,沿着这条路线,其他弟子开始探索用纳米线代替三棱镜,以将传统光学器件的尺寸缩小到纳米尺度。

然而,收集和分析光谱信号并不容易。尽管理论上有可能在这种纳米线周围制作电极阵列以实现光谱检测,但它需要精确的微纳处理。

2012年,顾福星毕业于浙江大学,前往上海理工大学成为“青椒”。由于实验室刚刚起步,不能满足光谱实验的条件,他希望研究氢传感和杨宗银,后者曾去剑桥大学攻读博士学位。

在大洋的另一边,杨宗银的生活也不容易。他最喜欢的纳米线光谱仪的课题与其导师的研究方向不匹配,完成实验测试需要极其艰苦的工作。

“从2014年来到剑桥学习到2017年,我已经制造了大约150台光谱仪设备,但结果仍然不理想。幸运的是,在这段时间里,我得到了妻子的支持。随着设备和算法的一次又一次优化,直到2018年8月,在实验室的一个周六晚上,我测量了信号,有点不敢相信自己的眼睛。我验证了许多次与商用光谱仪的测量结果一致。那一刻,我有复杂的感觉。”回顾这段经历,杨宗银仍然记忆犹新。

杨宗银介绍说,实验者用一种带隙逐渐变化的特殊纳米线代替了传统光谱仪中的分光和检测元件,并在该纳米线上采用与制造计算机芯片相似的工艺制作了光电探测器阵列。他们利用每个检测器对不同颜色的光有不同响应的特性,通过求解逆问题,从响应函数方程中重构待测光谱信息。

更值得一提的是,由此制造的微型光谱仪具有便携性和易于推广的特点,非常适合穿戴式电子设备等新兴领域,具有广阔的应用前景。

光谱检测进入公共生活

然而,这个微型分光计只有一千分之一发丝大小,肉眼甚至看不清楚。普通人应该如何使用它?

面对质疑,杨宗银解释说,纳米线光谱仪可以制成与手机广泛使用的摄像系统兼容性好的光谱芯片,然后设计成紧凑的光谱仪模块,使手机具备光谱检测能力,将强大的光谱分析技术从实验室转移到你的手中。将来,只能通过取出手机并拍摄物体的照片来获得物体的光谱信息。

获得的信息数据可以通过手机应用软件与相应数据库中的数据进行比较,人们可以直观地看到相关组件的内容范围。

“这与我们在医院得到的血液检测报告相似。然而,要实现这一步,还需要进一步的研究和开发。”杨宗银说道。

顾福兴表示,通过后续开发,在纳米机器人技术成熟、电源和信号传输问题得到解决后,微型光谱仪有望在应用于电子设备的同时植入人体,从而实时监测人体健康状况,为癌症等疾病的检测提供新的检测和治疗方法。

关于检测人体健康状况(如血糖指数)的功能,顾福星表示:“涉及人体的健康实验将非常谨慎。我们的产品应确保检测结果的正确性,并符合国家相关医疗卫生标准。研发过程将相对较长。”

他们希望当这项技术成熟时,普通人只需几百美元就能轻松拥有这样一台微型光谱仪。那时,光谱探测技术将真正进入公众生活。

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