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世界最小光谱仪可集成到手机上,方便测量食物新鲜度

科技新闻 2019-09-12 9 科技新闻

打开手机摄像头,你就可以“读出”牛奶中是否含有三聚氰胺……这不是科幻电影中的场景。随着世界上最小的光谱仪的出现,所有这一切都有可能成为现实。美国杂志《科学》北京时间9月6日发表了一项科研成果——一种由比1/1000人发还薄的半导体纳米线组成的微型光谱仪,其尺寸仅为市场上最小光谱仪的1/1000。它可以集成到手机中,只要用手机扫描,就可以检测食品和食品药品成分的新鲜度,也可以用于艺术品的鉴定。

这项科研成果是与中国、英国、芬兰和其他国家的科研人员合作完成的。上海科技大学、浙江大学、南京大学、上海交通大学、北京大学和国内其他大学的研究人员都参加了此次活动。记者从“提问”平台组织的在线新闻发布会上了解到,研究团队已经在申请这种微型光谱仪的专利。他们希望在这种光谱仪的基础上开发一系列从紫外到红外的微型光谱仪,这些光谱仪将在大约5年后广泛应用于科研、生产和生活中。

据报道,牛顿在17世纪发现,阳光被棱镜折射后可以观察到颜色。这个色散实验促进了分光计的诞生。分光计可以检测光谱中不同谱线的强度,例如,可以测量七种阳光颜色的亮度。光谱的测量可以帮助人们了解几百万光年以外的星系的活动和纳米级的分子结构。它还可用于分析物体中的化学成分,从而被用作空气污染、食品卫生、作物生长和人类健康的检测工具,在科学研究和工业生产中发挥着极其重要的作用。"光谱仪的小型化是科技界面临的技术挑战."论文的第一作者、剑桥大学石墨烯中心博士后杨宗银(Yang Zongyin)表示,目前,大多数光谱仪仍然按照与牛顿实验相同的原理工作,需要使用棱镜或光栅等光谱元素。这种光谱仪体积太大,不能满足日益发展的光谱应用技术的需要。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。

杨宗银和他的团队找到了另一种方法,用带隙逐渐变化的特殊纳米线代替传统光谱仪中的分光和检测元件。光电探测器阵列通过类似于制造计算机芯片的工艺在该纳米线上制造。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。

上海理工大学副教授、博士生导师顾福星是本文的合著者之一。谈到光谱信号的实际应用,他说每种物质都有相应的光谱信号,例如水、乙醇和糖的吸收光谱、荧光光谱和拉曼光谱。根据这一点,可以确定牛奶的成分,看看哪个杯子含有高糖和低糖,有多少水含量,是否含有三聚氰胺等。“如果我们能在日常生活中及时获得物质的光谱信息,我们将极大地丰富我们的生活和世界。”

杨宗银表示,该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,可设计为紧凑型光谱仪模块,使手机具备光谱检测能力。强大的光谱分析技术可以从实验室移至手掌,方便测量生活中食物和皮肤的光谱信息,从而判断食品安全和健康水平,使光谱检测技术有望进入公众的日常生活。

研发团队还使用微型光谱仪对单个细胞进行扫描光谱成像,从而分析细胞各部分的化学变化。通过后续开发,该微型光谱仪有望通过注射植入人体,用于实时监测人体健康状况,为癌症等疾病的检测提供新的方法。此外,近红外光谱还可以在食品和药物分析中发挥重要作用。

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