世界最小光譜儀問(wèn)世 手機(jī)一掃可檢測(cè)出食物新鮮度和食品藥品成分
發(fā)布日期：2019-09-17 點(diǎn)擊次數(shù)：
美國(guó)《科學(xué)》雜志近日發(fā)表了一項(xiàng)科研成果——由一根比人類頭發(fā)千分之一還細(xì)的半導(dǎo)體納米線組成的微型光譜儀。據(jù)介紹，該光譜儀大小僅為市面上最小光譜儀的千分之一，可被集成到手機(jī)上，用手機(jī)一掃就可以檢測(cè)出食物的新鮮度、食品藥品的成分，還可用于藝術(shù)品的鑒定。
“該光譜儀的最大優(yōu)勢(shì)是體積小容易攜帶，成本低容易推廣，所以非常適合終端消費(fèi)者使用，比如把它集成到手機(jī)上，可以隨時(shí)隨地對(duì)食品藥品進(jìn)行檢測(cè)，這樣可以減輕監(jiān)管部門(mén)的壓力，也讓大眾更加放心消費(fèi)?！闭撐牡牡谝蛔髡?、劍橋大學(xué)石墨烯中心博士后楊宗銀接受中國(guó)質(zhì)量報(bào)記者采訪時(shí)說(shuō)道。
據(jù)悉，這一科研成果由中國(guó)、英國(guó)、芬蘭等國(guó)科研工作者合作完成。來(lái)自上海理工大學(xué)、浙江大學(xué)、南京大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京大學(xué)等國(guó)內(nèi)高校的眾多科研工作者都參與其中。
據(jù)介紹，光譜儀可以檢測(cè)光譜中不同譜線強(qiáng)度，通過(guò)對(duì)光譜的測(cè)量，可以用來(lái)分析物體中的化學(xué)成分，從而用作對(duì)空氣污染、食品衛(wèi)生、農(nóng)作物生長(zhǎng)、人體健康狀況的檢測(cè)工具，在科研和工業(yè)生產(chǎn)中扮演著極為重要的角色。
“光譜儀的微型化是目前科技界面臨的一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)。”楊宗銀透露，目前大部分光譜儀仍需要用到棱鏡或光柵之類的分光元件。這種光譜儀體積龐大已無(wú)法滿足日益發(fā)展的光譜應(yīng)用技術(shù)的需求，但是減小分光和探測(cè)元件的尺寸將導(dǎo)致光譜儀的光譜分辨率、靈敏度及動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍顯著下降。
楊宗銀和合作團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，用一種帶隙漸變的特殊納米線替代了傳統(tǒng)光譜儀中的分光和探測(cè)元件，采用和制作電腦芯片類似的工藝，在這種納米線上加工出了光探測(cè)器陣列。他們利用各個(gè)探測(cè)器對(duì)不同顏色光具有不同響應(yīng)的特性，通過(guò)逆向求解，從響應(yīng)函數(shù)方程組中重構(gòu)出所需要測(cè)量的光譜信息?！拔覀冄亻L(zhǎng)度方向?qū){米線的組分進(jìn)行了調(diào)控，這樣可以把傳統(tǒng)光學(xué)器件的尺寸縮小到納米尺度，使這些器件在可穿戴設(shè)備等新興領(lǐng)域中找到應(yīng)用?！彼f(shuō)。
上海理工大學(xué)副教授、博士生導(dǎo)師谷付星是論文的共同作者之一。他和楊宗銀在浙江大學(xué)求學(xué)期間，已經(jīng)發(fā)明了在單根納米線上調(diào)控帶隙的技術(shù)，“普通光譜儀都包含色散原件，這是很核心的器件，我們研發(fā)取得突破后，使用單根納米線就可以實(shí)現(xiàn)顏色分辨”。
谷付星說(shuō)，每個(gè)物質(zhì)都會(huì)有相應(yīng)的光譜信號(hào)，如水、乙醇、糖吸收光譜、熒光、拉曼光譜的特性都不一樣，據(jù)此可以確定牛奶的成分，分辨糖分高低、含水量多少以及是否含有三聚氰胺等。
據(jù)了解，目前研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在申請(qǐng)?jiān)撐⑿凸庾V儀的專利。他們希望在這種光譜儀的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出一系列覆蓋紫外到紅外的微型光譜儀，用大概5年左右的時(shí)間使微型光譜儀廣泛應(yīng)用到科研、生產(chǎn)以及生活中。
“我們研發(fā)的微型光譜儀與廣泛使用的手機(jī)攝像系統(tǒng)具有良好的兼容性，可設(shè)計(jì)成緊湊式光譜儀模塊，使手機(jī)具備光譜探測(cè)能力，把強(qiáng)大的光譜分析技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室搬到手掌上，方便在生活中測(cè)量食物、皮膚的光譜信息，從而判斷食品安全以及身體健康程度，使得光譜檢測(cè)技術(shù)有望走進(jìn)大眾日常生活中。”楊宗銀說(shuō)，該技術(shù)目前應(yīng)用于食藥領(lǐng)域的瓶頸之一是缺乏大量的光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，“這需要很長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)積累和實(shí)現(xiàn)?！彼f(shuō)。
“該光譜儀的最大優(yōu)勢(shì)是體積小容易攜帶，成本低容易推廣，所以非常適合終端消費(fèi)者使用，比如把它集成到手機(jī)上，可以隨時(shí)隨地對(duì)食品藥品進(jìn)行檢測(cè)，這樣可以減輕監(jiān)管部門(mén)的壓力，也讓大眾更加放心消費(fèi)?！闭撐牡牡谝蛔髡?、劍橋大學(xué)石墨烯中心博士后楊宗銀接受中國(guó)質(zhì)量報(bào)記者采訪時(shí)說(shuō)道。
據(jù)悉，這一科研成果由中國(guó)、英國(guó)、芬蘭等國(guó)科研工作者合作完成。來(lái)自上海理工大學(xué)、浙江大學(xué)、南京大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京大學(xué)等國(guó)內(nèi)高校的眾多科研工作者都參與其中。
據(jù)介紹，光譜儀可以檢測(cè)光譜中不同譜線強(qiáng)度，通過(guò)對(duì)光譜的測(cè)量，可以用來(lái)分析物體中的化學(xué)成分，從而用作對(duì)空氣污染、食品衛(wèi)生、農(nóng)作物生長(zhǎng)、人體健康狀況的檢測(cè)工具，在科研和工業(yè)生產(chǎn)中扮演著極為重要的角色。
“光譜儀的微型化是目前科技界面臨的一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)。”楊宗銀透露，目前大部分光譜儀仍需要用到棱鏡或光柵之類的分光元件。這種光譜儀體積龐大已無(wú)法滿足日益發(fā)展的光譜應(yīng)用技術(shù)的需求，但是減小分光和探測(cè)元件的尺寸將導(dǎo)致光譜儀的光譜分辨率、靈敏度及動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍顯著下降。
楊宗銀和合作團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，用一種帶隙漸變的特殊納米線替代了傳統(tǒng)光譜儀中的分光和探測(cè)元件，采用和制作電腦芯片類似的工藝，在這種納米線上加工出了光探測(cè)器陣列。他們利用各個(gè)探測(cè)器對(duì)不同顏色光具有不同響應(yīng)的特性，通過(guò)逆向求解，從響應(yīng)函數(shù)方程組中重構(gòu)出所需要測(cè)量的光譜信息?！拔覀冄亻L(zhǎng)度方向?qū){米線的組分進(jìn)行了調(diào)控，這樣可以把傳統(tǒng)光學(xué)器件的尺寸縮小到納米尺度，使這些器件在可穿戴設(shè)備等新興領(lǐng)域中找到應(yīng)用?！彼f(shuō)。
上海理工大學(xué)副教授、博士生導(dǎo)師谷付星是論文的共同作者之一。他和楊宗銀在浙江大學(xué)求學(xué)期間，已經(jīng)發(fā)明了在單根納米線上調(diào)控帶隙的技術(shù)，“普通光譜儀都包含色散原件，這是很核心的器件，我們研發(fā)取得突破后，使用單根納米線就可以實(shí)現(xiàn)顏色分辨”。
谷付星說(shuō)，每個(gè)物質(zhì)都會(huì)有相應(yīng)的光譜信號(hào)，如水、乙醇、糖吸收光譜、熒光、拉曼光譜的特性都不一樣，據(jù)此可以確定牛奶的成分，分辨糖分高低、含水量多少以及是否含有三聚氰胺等。
據(jù)了解，目前研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在申請(qǐng)?jiān)撐⑿凸庾V儀的專利。他們希望在這種光譜儀的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出一系列覆蓋紫外到紅外的微型光譜儀，用大概5年左右的時(shí)間使微型光譜儀廣泛應(yīng)用到科研、生產(chǎn)以及生活中。
“我們研發(fā)的微型光譜儀與廣泛使用的手機(jī)攝像系統(tǒng)具有良好的兼容性，可設(shè)計(jì)成緊湊式光譜儀模塊，使手機(jī)具備光譜探測(cè)能力，把強(qiáng)大的光譜分析技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室搬到手掌上，方便在生活中測(cè)量食物、皮膚的光譜信息，從而判斷食品安全以及身體健康程度，使得光譜檢測(cè)技術(shù)有望走進(jìn)大眾日常生活中。”楊宗銀說(shuō)，該技術(shù)目前應(yīng)用于食藥領(lǐng)域的瓶頸之一是缺乏大量的光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，“這需要很長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)積累和實(shí)現(xiàn)?！彼f(shuō)。
