深圳商報2019年9月11日訊 （記者吳吉）打開手機攝像頭，就可以“讀出”牛奶里是否含有三聚氰胺……這不是科幻片里的情景。隨著世界最小光譜儀問世，這一切很可能變成現(xiàn)實。美國《科學(xué)》雜志北京時間9月6日發(fā)表了一項科研成果——由一根比人類頭發(fā)千分之一還細的半導(dǎo)體納米線組成的微型光譜儀，其大小僅為市面上最小光譜儀的千分之一。它可被集成到手機上，只要用手機一掃就可以檢測出食物的新鮮度、食品藥品的成分，還可用于藝術(shù)品的鑒定。
這一科研成果由中國、英國、芬蘭等國科研工作者合作完成。來自上海理工大學(xué)、浙江大學(xué)、南京大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京大學(xué)等國內(nèi)高校的科研工作者都參與其中。記者通過“有問”平臺組織的線上發(fā)布會了解到，研究團隊已經(jīng)在申請這個微型光譜儀的專利。他們希望在這種光譜儀的基礎(chǔ)上開發(fā)出一系列覆蓋紫外到紅外的微型光譜儀，用大概5年左右的時間使微型光譜儀廣泛應(yīng)用到科研、生產(chǎn)以及生活中。
利用納米技術(shù)將光譜儀“微縮”
據(jù)介紹，17世紀，牛頓發(fā)現(xiàn)太陽光通過棱鏡的折射后可觀察到彩色。這個色散實驗推動了光譜儀的誕生。光譜儀可以檢測光譜中不同譜線強度，比如可以測出陽光的七彩色中每種顏色光的亮度。通過對光譜的測量，可以幫助人們獲知大到幾百萬光年外的星系活動，小到納米尺度的分子結(jié)構(gòu)。還可以用來分析物體中的化學(xué)成分，從而用作對空氣污染、食品衛(wèi)生、農(nóng)作物生長、人體健康狀況的檢測工具，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技術(shù)挑戰(zhàn)?！闭撐牡牡谝蛔髡?、劍橋大學(xué)石墨烯中心博士后楊宗銀說，目前大部分光譜儀的工作原理仍和牛頓的實驗相似，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元件的尺寸將導(dǎo)致光譜儀的光譜分辨率、靈敏度及動態(tài)檢測范圍顯著下降。
楊宗銀和合作團隊另辟蹊徑，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元件，采用與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器陣列。他們利用各個探測器對不同顏色光具有不同響應(yīng)的特性，通過逆問題的求解，從響應(yīng)函數(shù)方程組中重構(gòu)出所需要測量的光譜信息。
微型光譜儀可應(yīng)用在手機上
上海理工大學(xué)副教授、博導(dǎo)谷付星是論文的共同作者之一。談及光譜信號的實際用處，他表示，每個物質(zhì)都會有相應(yīng)的光譜信號，如水、乙醇、糖的吸收光譜、熒光、拉曼光譜都不一樣。據(jù)此可以確定牛奶的成分，看看哪杯的糖分高低，含水量多少以及是否含有三聚氰胺等。“如果我們在日常生活中能及時獲得物質(zhì)的光譜信息，將會大大豐富我們的生活和世界。”
楊宗銀則表示，微型光譜儀與廣泛使用的手機攝像系統(tǒng)具有良好的兼容性，可設(shè)計成緊湊式光譜儀模塊使手機具備光譜探測能力，把強大的光譜分析技術(shù)從實驗室搬到手掌上，方便在生活中測量食物、皮膚的光譜信息，從而判斷食品安全以及身體健康程度，使得光譜檢測技術(shù)有望走進大眾日常生活中。
研發(fā)團隊還用微型光譜儀對單個細胞進行掃描光譜成像，從而可以分析細胞每個部分的化學(xué)變化。通過后續(xù)開發(fā)，這種微型光譜儀將有望通過注射植入到人體，用于實時監(jiān)測人體健康狀況，為癌癥等疾病檢測提供一種新的方法。另外，近紅外光譜技術(shù)在食品藥物分析方面也可以發(fā)揮重要的應(yīng)用。