Исследователи разрабатывают самый маленький спектрометр, который в тысячу раз тоньше человеческого волоса. Это может позволить оценить качество лекарств, свежесть продуктов и многое другое, с помощью камеры смартфона.
В 1666 году эксперимент Исаака Ньютона по изгибу белого света через призму посеял семена для нового явления: спектроскопии. Он включает в себя изучение взаимодействия между веществом и электромагнитным излучением.
Оптические спектрометры теперь стали важными инструментами: они используются в различных областях научных исследований, от анализа свойств белковых молекул до наблюдения за процессами в галактических туманностях за миллионы световых лет.
Однако даже сегодня большинство спектрометров опираются на базовые принципы, продемонстрированные Ньютоном в 17 веке — разделение света на различные спектральные компоненты. Вот почему крайне сложно уменьшить размеры и сложность спектрометра. Если вы посмотрите вокруг, вы не найдете спектрометр меньше монеты.
Недавно исследователи из Кембриджского университета разработали новое устройство, которое в 1000 раз меньше существующих спектрометров. Это самый маленький спектрометр, когда-либо созданный с использованием одной нанопроволоки.
Миниатюрный спектрометр
Состав материала нанопроволоки изменяется вдоль его длины, что делает его чувствительным к различным цветам света в видимом спектре. Исследователи построили серию светочувствительных сегментов на нанопроволоках.
Эта нанопроволока не содержит никаких дисперсионных компонентов, таких как призма, и намного проще, чем традиционные спектрометры. Данные, полученные от отдельных сегментов нанопроволоки, могут быть непосредственно переданы в компьютерную программу, которая преобразует данные в спектр падающего света.
Программа восстанавливает сигналы падающего света путем измерения фототока и перекрестных ссылок с предварительно откалиброванной функцией отклика для каждой из серии точек вдоль нанопроволоки. При достаточном количестве точек как монохроматический, так и широкополосный спектры могут быть точно восстановлены.
Сколько деталей он может предоставить?
Информация о фотографии хранится в пикселях. Обычно это ограничивается только тремя элементами — красным, зеленым и синим. Эти три источника света складываются различными способами, чтобы воспроизвести широкий спектр цветов.
В новом устройстве, с другой стороны, каждый пиксель состоит из точек данных по всему видимому спектру. Таким образом, он может предоставить исчерпывающую информацию далеко за пределы цвета, который могут воспринимать глаза. Например, он может дать представление о химических процессах, происходящих в кадре изображения.
Приложения
Устройство можно использовать для оценки качества лекарств, свежести продуктов и выявления контрафактной продукции. Он может напрямую захватывать отдельные клетки без микроскопа.
Поскольку спектроскопическое устройство очень маленькое, оно может быть встроено непосредственно в смартфоны. Технология может буквально поместить мощные аналитические процессы из лаборатории в ладони.
Более того, рост нанопроводов с разным составом может привести к появлению нового поколения миниатюрных спектрометров, работающих в любом диапазоне длин волн от инфракрасного до ультрафиолетового. Он может использоваться в различных промышленных, исследовательских и потребительских приложениях, включая интеллектуальные носимые устройства, биологические имплантаты и системы «лаборатория на кристалле».