作者:程唯珈 来源:中国科学报 发布时间:2019/10/15 11:54:56
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越过“牛顿棱镜” 的纳米级光谱仪问世

 

买了青菜,担心有农药?拿出手机,打开摄像头,让微型光谱仪先帮你做个CT。此外,光谱仪还能检测出食物的新鲜程度、蛋白质含量、糖分含量等。这些看似“科幻”的操作,在不久的将来都可能变成现实。

这一切的背后,都离不开一根由半导体纳米线组成的微型光谱仪。其大小比人类头发千分之一还细,说它是世界上最小的光谱仪也毫不为过。

“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。“该光谱仪的发明者之一,论文第一作者、剑桥大学石墨烯中心博士后杨宗银将一根纤细的带隙渐变的硫硒化镉纳米线放置显微镜下。在蓝光的激发下,散发着彩虹色的荧光。

该成果于日前在《科学》上发表。

光谱仪微型化的门槛:牛顿的棱镜

17世纪,牛顿发现太阳光通过棱镜的折射后可观察到彩色,这个色散实验为光谱仪的诞生播下了种子。通过对光谱的测量,人们可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。

比如我们日常饮用的牛奶,肉眼直接观察很难区别个中差异。但是通过对牛奶进行光谱分析,牛奶里的成分便一目了然。

“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。” 论文作者之一、上海理工大学副教授谷付星告诉《中国科学报》,借助光谱仪,人们可以快速地进行食物成分的分析。

尽管目前光谱仪技术已经成熟,但光谱仪的微型化,遇到了门槛。

“普通光谱仪包含色散元件,这是个很核心的器件。”谷付星介绍,科研人员一般用棱镜或者光栅对入射光进行分光色散,然后在后方放置一个光探测器阵列用于测量不同谱线的强度信息。但是,由于使用了棱镜光栅等分光元件,导致光谱仪体积庞大。而减小分光和探测元件的尺寸又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。

有没有一种办法可以兼顾仪器的尺寸和精度?多年来,各国科研人员展开了诸多研究。包括且不局限于利用高度集成的微电子芯片处理信号,使用精密加工技术使器件空间体积更小等手段,但均未突破色散如棱镜和光栅等这个核心器件的限制。

谁能想到,在牛顿实验四百多年后的今天,来自中国、英国和芬兰的科研团队另辟蹊径,仅仅采用了一根半导体纳米线,就成功克服了这个技术难题。

纳米线牵起兄弟情

说起这神奇的纳米线,还得从8年前说起。

早在2011年,同在浙江大学求学的谷付星和杨宗银共同发明了在单根纳米线上调控带隙的技术。用谷付星的话形容:“得到的纳米线在荧光显微镜下观察起来就像一道彩虹。”

“这很容易让人联想到牛顿三棱镜实验中的七彩色。”杨宗银告诉《中国科学报》,沿着这一思路,这对师兄弟开始探索用纳米线替代三棱镜,将传统光学器件的尺寸缩小到纳米尺度。

然而,想要实现光谱信号的收集和分析并非易事。尽管理论上可以在这种纳米线周边做电极阵列来实现光谱检测,但是这需要精密的微纳加工。

2012年,谷付星从浙江大学毕业,前赴上海理工大学成为“青椒”。由于实验室刚起步,无法满足光谱实验的条件,于是他一边研究氢气传感,一边将希望寄托于前往剑桥大学读博的杨宗银。

而在大洋彼岸,杨宗银的日子也不好过。他心仪的纳米线光谱仪课题和导师的研究方向并不匹配,想要完成实验测试需要极其艰难的争取。”

“从我2014年来剑桥读博,直至2017年一共做了大概150个光谱仪器件,结果仍然不理想,这段时间幸亏有妻子的支持。随着对器件和算法的一次次优化,直到2018年8月,在一个周六晚上,我在实验室测量到了信号,有点不敢相信自己的眼睛,验证了多次都和商用光谱仪测量结果相符,那一刻真是百感交集。”回首这段经历,杨宗银至今记忆犹新。

杨宗银介绍,实验人员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。

更值得一提的是,这样制造出的微型光谱仪具有便携、易推广的特性,非常适合应用在可穿戴电子设备等新兴领域,具有广阔的应用前景。

光谱检测走进大众生活

可是这仅有头发丝千分之一大小的微型光谱仪,甚至肉眼都无法看清楚,老百姓又该怎样使用呢?

面对疑惑,杨宗银解释说,纳米线光谱仪可以做成光谱芯片,与广泛使用的手机摄像系统具有良好的兼容性,继而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。今后,只需要掏出手机给物体拍个照,就能获得该物体的光谱信息。

获取的这些信息数据,通过手机APP软件,将需要检测的信息和对应数据库中的数据进行对比分析,人们就能直观地看出相关成分的含量在一个怎样的范围之内。

“这跟我们在医院得到的验血报告类似。不过,要做到这一步,还需要时间来进行后续的研发。”杨宗银说。

谷付星介绍,除了应用在电子设备上面,通过后续开发,等纳米机器人技术成熟,供电和信号传输的问题解决之后,这种微型光谱仪还有望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检测治疗方法。

对于检测人体健康状况这个功能,比如血糖指标等,谷付星表示非常慎重:“涉及人体的健康实验,会比较麻烦,我们的产品要确保检测结果的正确性,也要符合国家医疗卫生保健的相关标准,这个实现的过程会比较漫长。”

他们希望等到技术成熟时,这样的微型光谱仪只需要几百块钱就能让老百姓轻松拥有。那时,光谱检测技术将真正走进大众的生活。

相关论文信息:https://doi.org/10.1126/science.aax8814

 
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