牛頓如果在世也會被驚醒 分析光譜不再需要三稜鏡

2020-12-07 潮流科技fans

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很多人都知道,對於人眼而言,可見光的波長是在400nm到760nm之間。太陽光是一組不同波長的光譜組合,其中包括可見光和不可見光兩部分,可見光散射以後一共分為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫7種顏色,不可見光又分為紅外線(波長大於760nm)和紫外線(5300nm)兩種。

太陽光光譜

最早發現太陽光光譜的是大家都知道的牛頓爵士,1666年牛頓用一個三角形稜鏡,第一次發現了太陽光中包含的光譜。隨後牛頓用「光譜」這個詞來描述他所觀察到的現象,自此誕生了一門全新的學科,那就是專門研究光與物質之間的相互作用的學科,後被稱為光譜學。

分析光譜,就需要用到光譜儀,現在光譜儀已經成為各個科學研究領域重要的儀器設備之一。光譜儀通常由四部分組成,包括射狹縫、色散系統、成像系統和出射狹縫組成。光譜儀的應用十分廣泛,在天文、農業、生物和化學等諸多行業都會看到它們的身影,比如通過分析光的特徵,可以告訴我們距離數百萬光年的星系中正在發生著什麼。

傳統的光譜儀使用三稜鏡做為主要部件

由於工作原理的原因,導致目前使用的光譜儀體積普遍很大,想縮小尺寸幾乎是不可能的事。然而在牛頓發現太陽光譜的四百年後,來自劍橋大學的研究人員克服了這一挑戰,他們製造的光譜分析裝置比之前的系統足足縮小了一千倍。

這套新裝置體積十分小,是有史以來最小的光譜儀,由只有人類頭髮絲千分之一的單根納米線組成。這套裝置能在不使用顯微鏡的情況下為單個細胞進行成像,也能實現在智慧型手機相機內對化學指紋進行分析。

科學家製造了小型光譜分析設備

裝置中使用的納米線在材料組成(包括長度)上各不相同,使得不同的納米線能對可見光譜中不同顏色的光做出響應。研究人員使用了類似於計算機晶片製造的技術,在納米線上製造了一系列光響應截面。

由於這個裝置很小,它可以在不使用顯微鏡的情況下直接為單個細胞成像,與其他生物成像方法不同,納米線光譜儀獲得的數據包含對每個像素的化學指紋的詳細分析。

這種基於納米線的光譜儀,能使科學家像稜鏡一樣擺脫色散元素,因此製造出的光譜儀比傳統光譜儀更簡單,也更加小型化。從納米線上截取的各種相應輸入計算機後,就能實現入射光譜重建。

納米線光譜儀未來前景廣闊

平時,當我們拍攝一張照片時,照片上每個像素點通常都以三原色的形式儲存(紅色、綠色和藍色),而通過最新的納米線光譜儀,每個像素點都將包含所有的可見光譜數據信息,因此我們將會看到比以前眼睛所能感知的顏色更多更詳細的信息。

由於納米線光譜儀可以實現前所未有的小型化,因此將來可能會被整合到目前流行的智慧型手機中,之前依靠實驗室才能完成的繁瑣分析在我們的手掌間就能完成,宛如把實驗室握在手中。

有了現在納米線光譜儀為我們鋪路,未來可以製造更新一代的光譜儀,除了分析可見光譜,不可見的紅外線和紫外線光譜也會被一一克服。

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