导读
荷兰埃因霍芬理工大学开发一种新型光谱仪,尺寸足够小,可以简易并廉价地嵌入到智能手机中,用于检测空气质量、食物新鲜程度、肿块是否是恶性肿瘤。
背景
智能手机,已经成为许多人生活中不可或缺的电子产品。然而通过不断的科技创新,科研人员为智能手机增加了一系列独特的功能,例如:检测脑震荡、检测血糖、检测病毒、癌症筛查、检查精子活力、检测气体、测试细菌耐药性、检测食物营养成分和新鲜度、计算食品热量、识别材料等等。
然而,今天我们要特别提及的是一个可配合智能手机使用的特殊设备:光谱仪。之前,笔者介绍过美国华盛顿州立大学的科研团队设计的一种低成本、便携式的智能手机光谱仪。它可以通过测量光谱,即时分析出几种样本中化学物质的数量和类型,捕捉肿瘤标志物,提供实验室级别的检测结果。
(图片来源: 华盛顿州立大学)
创新
今天,要给大家介绍的是一种新型光谱仪。它的尺寸足够小,可以简易并廉价地嵌入到智能手机中,检测空气质量、食物新鲜程度、肿块是否是恶性肿瘤。
这款小型传感器由荷兰埃因霍芬理工大学开发,大小正好与科学实验室中使用的普通桌面模型相同。研究人员将他们的创新成果发表于12月20日的《自然通信》(Nature Communications)杂志。
(图片来源: 参考资料【2】)
技术
光谱测定法,可用于分析可见和不可见光,应用范围很广。基于光线的吸收和反射,每种材料和生物组织都具有自己的“足迹”,因此可以通过光谱测定法识别。然而,精准的光谱仪非常庞大,因为它们将光线分成不同颜色(频率),然后单独测量。在光线被拆分开之后,不同频率的光束仍然相互重叠;因此,在拆分开之后,高精准度的测量只能在几十厘米内进行。
埃因霍芬理工大学的研究人员开发了一种灵巧的传感器,它采用了一种特殊的“光子晶体谐振腔”,一种只有几微米的“陷阱”,让落入其中的光线无法逃脱。这种“陷阱”包含于膜中,在其中被捕获的光线生成微弱的电流,并可以被测量到。博士生Žarko Zobenica 制作了这种腔体。它十分精准,保持着非常微小的频率间隔,因此只能测量到处于那个频率下的光线。
(图片来源: 参考资料【2】)
为了可以测量到更大的频率范围,研究人员让两层膜上下靠得很近,放置在一起。这两层膜相互影响:如果它们之间的距离稍微发生变化,传感器能够检测到的光线频率也会发生变化。为了这个目标,由 Andrea Fiore 教授和副教授 Rob van der Heijden 管理的研究人员,集成了MEMS(微机电系统)。这种微机电机制让膜之间的距离发生变化,然后测量频率。最终,传感器覆盖的波长范围约达30纳米。在这个范围内,光谱仪能够分清几十万种频率,而且非常精准。之所以可以达到这个效果,是因为研究人员能精准判断膜与膜之间的距离,精度达到几飞米(10^-15 米)。
Fiore 教授希望再过五年或者更长的时间,新光谱仪会真正集成到入智能手机中,因为目前覆盖的频率范围仍然太小。目前,传感器只覆盖了最常见的光谱的百分之几,近红外部分。所以,他的研究小组将致力于扩展可检测到的光谱。除了微型光谱仪外,他们也采用了其他元件:光源,使得传感器可以独立于外部光源。
价值
为了演示这种光谱仪的效能,研究团队展示了几种应用,包括气体传感器。他们也聪明地利用当两个膜之间发生相对运动后,检测到的频率会发生变化这一事实,制作了一个极度精准的运动传感器。
这项技术的应用范围很广。微型光谱仪有望如同摄像头一般,成为智能手机的重要部件。例如,用于测量二氧化碳、监测烟雾、判断你吃的药物、测量食物的新鲜程度,测量血糖水准等等。
关键字
参考资料
【1】https://www.tue.nl/en/university/news-and-press/news/20-12-2017-micro-spectrometer-opens-door-to-a-wealth-of-new-smartphone-functions/
【2】Žarko Zobenica, Rob W. van der Heijden, Maurangelo Petruzzella, Francesco Pagliano, Rick Leijssen, Tian Xia, Leonardo Midolo, Michele Cotrufo, YongJin Cho, Frank W. M. van Otten, Ewold Verhagen, Andrea Fiore. Integrated nano-opto-electro-mechanical sensor for spectrometry and nanometrology. Nature Communications, 2017; 8 (1) DOI: 10.1038/s41467-017-02392-5
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