世界最小光谱仪问世 手机扫一扫便知食物新鲜否 上海科技人参与研制

世界最小光谱仪问世 手机扫一扫便知食物新鲜否 上海科技人参与研制飞入寻常百姓家
来源:新民晚报   作者:郜阳   2019-09-07 09:29:46

 

新民晚报讯(记者 郜阳)微型光谱仪能有多迷你?由我国科学家参与的一项科研成果给出了答案——由一根比人类头发千分之一还细的半导体纳米线组成的微型光谱仪,其大小仅为市面上最小光谱仪的千分之一。它可被集成到手机上,只要用手机一扫就可以检测出食物的新鲜度,食品药品的成分,还可用于艺术品的鉴定。

这一科研成果由中国、英国、芬兰等国科研工作者合作完成。来自上海交通大学、上海理工大学、浙江大学、南京大学、北京大学等国内高校的科研工作者参与其中。

据介绍,17世纪,牛顿发现太阳光通过棱镜的折射后可观察到彩色。这个色散实验推动了光谱仪的诞生。光谱仪可以检测光谱中不同谱线强度,比如可以测出阳光的七彩色中每种颜色光的亮度。通过对光谱的测量,可以帮助人们获知大到几百万光年外的星系活动,小到纳米尺度的分子结构。还可以用来分析物体中的化学成分,从而用作对空气污染、食品卫生、农作物生长、人体健康状况的检测工具,在科研和工业生产中仍扮演着极为重要的角色。

“光谱仪的微型化是目前科技界面临的一项技术挑战。”剑桥大学石墨烯中心博士后杨宗银说,目前大部分光谱仪的工作原理仍和牛顿的实验相似,需要用到棱镜或光栅之类的分光元件。这种光谱仪体积庞大已无法满足日益发展的光谱应用技术的需求。但是减小分光和探测元件的尺寸将导致光谱仪的光谱分辨率、灵敏度及动态检测范围显著下降,

杨宗银和合作团队介绍另辟蹊径,用一种带隙渐变的特殊纳米线替代了传统光谱仪中的分光和探测元件,采用和制作电脑芯片类似的工艺在这种纳米线上加工出了光探测器阵列。他们利用各个探测器对不同颜色光具有不同响应的特性,通过逆问题的求解,从响应函数方程组中重构出所需要测量的光谱信息。

“我们沿长度方向对纳米线的组分进行了调控,得到的纳米线在荧光显微镜下观察就像一道彩虹,很容易让人联想到牛顿三棱镜实验中的七彩色,沿着这个思路我们开始探索用纳米线替代三棱镜,这样可以把传统光学器件的尺寸缩小到纳米尺度,使这些器件在可穿戴设备等新兴领域中找到应用。”杨宗银告诉记者。

上海理工大学副教授、博士生导师谷付星是项目参与者之一。他和杨宗银在浙江大学求学期间,已经发明了在单根纳米线上调控带隙的技术,“普通光谱仪都包含色散原件。这个是很核心的器件。但是我们这项工作突破了这个要求。使用单根纳米线就可以实现颜色分辨。”

谷付星说,每个物质都会有相应的光谱信号,如水,乙醇,糖的吸收光谱,荧光、拉曼光谱都不一样。据此可以确定牛奶的成分,看看哪杯的糖分高低,含水量多少,及是否含有三聚氰胺等。如果我们在日常生活中能及时获得物质的光谱信息将会很大丰富我们的生活和世界。

据了解,研究团队已经在申请这个微型光谱仪的专利。他们希望在这种光谱仪的基础上开发出一系列覆盖紫外到红外的微型光谱仪,用大概五年左右的时间使微光谱仪广泛应用到科研、生产以及生活中。

杨宗银介绍,团队研发的微型光谱仪与广泛使用的手机摄像系统具有良好的兼容性,可设计成紧凑式光谱仪模块使手机具备光谱探测能力,把强大的光谱分析技术从实验室搬到手掌上,方便在生活中测量食物、皮肤的光谱信息,从而判断食品安全以及身体健康程度,使得光谱检测技术有望走进大众日常生活中。

研发团队还用微型光谱仪对单个细胞进行扫描光谱成像,从而可以分析细胞每个部分的化学变化。通过后续的开发这种微型光谱仪将有望可以通过注射植入到人体,用于实时监测人体健康状况,为癌症等疾病检测提供一种新的方法。另外,近红外光谱技术在食品药物分析方面也可以有重要的应用。

该研究成果于北京时间9月6日发表于国际权威学术期刊《科学》(Science)。

编辑:杨硕

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