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今日Science: 世界最小光谱仪问世,纳米技术颠覆牛顿的棱镜
时间:2019-09-06 13:52:55来源:知社学术圈
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提要:剑桥大学的研究人员在《Science》上报道了世界上最小的光谱仪。他们另辟蹊径,用一根比头发丝细一千倍的带隙渐变纳米线替代了传统光谱仪的分光和探测元件,这种纳米线在显微镜下观察就像一道彩虹。
今日Science: 世界最小光谱仪问世,纳米技术颠覆牛顿的棱镜

  光谱仪是用来测量光线中不同谱线强度的仪器。比如,光谱仪可以检测出阳光的七彩色中每种颜色光对应的亮度。通过对光谱信息的测量,可以帮助人们获知大至几百万光年外的星系活动,小至纳米尺度的分子结构。还可以用来分析物体中的化学成分,从而用作对空气污染、食品卫生、农作物生长、人体健康状况的检测工具,是科研和生产生活中必不可少的设备。

  然而,目前大部分光谱仪的工作原理仍和17世纪的牛顿三棱镜分光实验原理相似。基于这种原理的光谱仪由于体积庞大已经无法满足日益发展的光谱应用技术的需求。然而,减小光谱仪的分光元件或探测器尺寸将导致光谱分辨率、灵敏度及动态范围显著下降,因此光谱仪的微型化是目前科技界面临的重大技术挑战。

  剑桥大学的研究人员在《Science》上报道了世界上最小的光谱仪。他们另辟蹊径,用一根比头发丝细一千倍的带隙渐变纳米线替代了传统光谱仪的分光和探测元件,这种纳米线在显微镜下观察就像一道彩虹。剑桥大学研究人员巧妙地利用这种纳米线光谱响应可调的特点,通过逆向问题求解,从响应函数方程组中重构出所需要测量的光谱信息。

  整个光谱仪尺寸仅几十微米,是目前市面上最小光谱仪的千分之一。由于极小的尺寸,他们还展示了用该微型光谱仪对单个细胞进行扫描光谱成像的技术。通过后续的开发这种微型光谱仪将有望可以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方法。

  论文的第一作者,剑桥大学的中国留学生杨宗银博士介绍说,该微型光谱仪还有一个优势是成本极低。目前市面上最便宜的光谱仪价格近万元人民币,而该器件可以低至五十元人民币以内,将会极大地促进光谱技术的普及应用。论文的通讯作者Tawfique教授和共同作者Tom博士补充说,该微型光谱仪与广泛使用的手机摄像系统具有良好的兼容性,可设计成紧凑式光谱仪模块使手机具备光谱探测能力,方便在生活中测量食物、皮肤的光谱信息,从而判断食品安全以及身体健康程度,使得光谱检测技术有望走进大众日常生活中。还可以集成在手持设备上检测物体的光谱信息用以实现分类和筛选,为物联网技术提供一种新的技术方案。

  该工作由来自中国、英国和芬兰的多个研究组合作完成:上海理工大学的谷付星副教授,浙江大学的童利民教授、杨青教授和王攀教授,南京大学的王肖沐教授,上海交通大学的蔡伟伟教授,北京大学的戴伦教授,以及芬兰Aalto大学的孙志培教授。

 

论文信息:

Zongyin Yang et al. ‘Single nanowire spectrometers.’Science  06 Sep 2019:Vol. 365, Issue 6457, pp. 1017-1020

DOI: 10.1126/science.aax8814

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