光分析“芯片上的实验室”为便携式光谱仪的广泛使用打开了大门

　　

   

   

包括俄勒冈州立大学材料研究员在内的科学家们开发了一种更好的光测量工具，为光学光谱分析领域做出了贡献，从智能手机摄像头到环境监测，这一领域可以改善一切。

这项研究今天发表在《科学》杂志上，由芬兰阿尔托大学领导，研究出了一种功能强大的超微小光谱仪，它可以安装在微芯片上，并使用人工智能操作。

这项研究涉及到一种相对较新的超薄材料，称为二维半导体，其结果证明了一种光谱仪的概念，它可以很容易地集成到各种技术中，包括质量检测平台、安全传感器、生物医学分析仪和空间望远镜。

“我们展示了一种建造光谱仪的方法，它比现在通常使用的光谱仪要小得多，”俄勒冈州立大学科学学院的物理学教授Ethan Minot说。“光谱仪测量不同波长的光的强度，在许多工业和所有科学领域都非常有用，可以识别样品和表征材料。”

传统的光谱仪需要庞大的光学和机械部件，而新设备可以装在人的发梢上，Minot说。这项新研究表明，可以用新型半导体材料和人工智能取代这些组件，使光谱仪的尺寸从目前最小的光谱仪大幅缩小。

“我们的光谱仪不需要组装独立的光学和机械组件或阵列设计来分散和过滤光线，”Hoon Hahn Yoon说，他和阿尔托大学的同事Zhipei Sun Yoon领导了这项研究。“此外，它可以实现与台式系统相当的高分辨率，但体积要小得多。”

研究人员说，该设备对于它所吸收的光的颜色是100%用电控制的，这给了它巨大的可扩展性和广泛的可用性的潜力。

Yoon教授表示:“将其直接集成到智能手机和无人机等便携设备中，可以改善我们的日常生活。想象一下，我们的下一代智能手机相机可能是高光谱相机。”

这些高光谱相机不仅可以从可见光波段捕捉和分析信息，还可以进行红外成像和分析。

Minot说:“令人兴奋的是，我们的光谱仪为各种新的日常设备和仪器提供了可能性。”

例如，在医学上，分光计已经在测试其识别人体组织细微变化的能力，例如肿瘤和健康组织之间的差异。

Minot补充说，对于环境监测，光谱仪可以准确地检测出空气、水或地面中的污染种类，以及污染物的含量。

“如果有低成本的便携式光谱仪为我们做这项工作，那就太好了，”他说。“在教育环境中，使用便宜、小巧的光谱仪，科学概念的实践教学将更有效。”

Minot说，对于以科学为导向的爱好者来说，应用程序也很多。

他说:“如果你喜欢天文学，你可能会对测量用望远镜收集的光谱感兴趣，并利用这些信息识别恒星或行星。”“如果你的爱好是地质学，你可以通过测量它们吸收的光谱来识别宝石。”

Minot认为，随着二维半导体的研究进展，“我们将迅速发现利用它们新颖的光学和电子特性的新方法。”从石墨烯开始，对二维半导体的研究才进行了十几年。石墨烯是一种碳排列在蜂窝状晶格中，厚度只有一个原子。

“这真的很令人兴奋，”Minot说。“我相信，通过研究二维半导体，我们将继续取得有趣的突破。”

除了Minot、Yoon和Sun，此次合作还包括来自上海交通大学、浙江大学、四川大学、延世大学和剑桥大学的科学家，以及阿尔托大学的其他研究人员。