越過「牛頓稜鏡」 的納米級光譜儀問世—新聞—科學網

2020-11-23 科學網

 

買了青菜，擔心有農藥？拿出手機，打開攝像頭，讓微型光譜儀先幫你做個CT。此外，光譜儀還能檢測出食物的新鮮程度、蛋白質含量、糖分含量等。這些看似「科幻」的操作，在不久的將來都可能變成現實。

這一切的背後，都離不開一根由半導體納米線組成的微型光譜儀。其大小比人類頭髮千分之一還細，說它是世界上最小的光譜儀也毫不為過。

「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，還可用於藝術品的鑑定。「該光譜儀的發明者之一，論文第一作者、劍橋大學石墨烯中心博士後楊宗銀將一根纖細的帶隙漸變的硫硒化鎘納米線放置顯微鏡下。在藍光的激發下，散發著彩虹色的螢光。

該成果於日前在《科學》上發表。

光譜儀微型化的門檻：牛頓的稜鏡

17世紀，牛頓發現太陽光通過稜鏡的折射後可觀察到彩色，這個色散實驗為光譜儀的誕生播下了種子。通過對光譜的測量，人們可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構，還可以用來分析物體中的化學成分。

比如我們日常飲用的牛奶，肉眼直接觀察很難區別個中差異。但是通過對牛奶進行光譜分析，牛奶裡的成分便一目了然。

「每個物質都會有相應的光譜信號，如水，乙醇，糖的吸收光譜，螢光、拉曼光譜都不一樣。據此可以確定牛奶的成分，看看哪杯的糖分高低，含水量多少，及是否含有三聚氰胺等。」 論文作者之一、上海理工大學副教授谷付星告訴《中國科學報》，藉助光譜儀，人們可以快速地進行食物成分的分析。

儘管目前光譜儀技術已經成熟，但光譜儀的微型化，遇到了門檻。

「普通光譜儀包含色散元件，這是個很核心的器件。」谷付星介紹，科研人員一般用稜鏡或者光柵對入射光進行分光色散，然後在後方放置一個光探測器陣列用於測量不同譜線的強度信息。但是，由於使用了稜鏡光柵等分光元件，導致光譜儀體積龐大。而減小分光和探測元件的尺寸又將導致光譜儀的光譜解析度、靈敏度及動態檢測範圍顯著下降。

有沒有一種辦法可以兼顧儀器的尺寸和精度？多年來，各國科研人員展開了諸多研究。包括且不局限於利用高度集成的微電子晶片處理信號，使用精密加工技術使器件空間體積更小等手段，但均未突破色散如稜鏡和光柵等這個核心器件的限制。

誰能想到，在牛頓實驗四百多年後的今天，來自中國、英國和芬蘭的科研團隊另闢蹊徑，僅僅採用了一根半導體納米線，就成功克服了這個技術難題。

納米線牽起兄弟情

說起這神奇的納米線，還得從8年前說起。

早在2011年，同在浙江大學求學的谷付星和楊宗銀共同發明了在單根納米線上調控帶隙的技術。用谷付星的話形容：「得到的納米線在螢光顯微鏡下觀察起來就像一道彩虹。」

「這很容易讓人聯想到牛頓三稜鏡實驗中的七彩色。」楊宗銀告訴《中國科學報》，沿著這一思路，這對師兄弟開始探索用納米線替代三稜鏡，將傳統光學器件的尺寸縮小到納米尺度。

然而，想要實現光譜信號的收集和分析並非易事。儘管理論上可以在這種納米線周邊做電極陣列來實現光譜檢測，但是這需要精密的微納加工。

2012年，谷付星從浙江大學畢業，前赴上海理工大學成為「青椒」。由於實驗室剛起步，無法滿足光譜實驗的條件，於是他一邊研究氫氣傳感，一邊將希望寄託於前往劍橋大學讀博的楊宗銀。

而在大洋彼岸，楊宗銀的日子也不好過。他心儀的納米線光譜儀課題和導師的研究方向並不匹配，想要完成實驗測試需要極其艱難的爭取。」

「從我2014年來劍橋讀博，直至2017年一共做了大概150個光譜儀器件，結果仍然不理想，這段時間幸虧有妻子的支持。隨著對器件和算法的一次次優化，直到2018年8月，在一個周六晚上，我在實驗室測量到了信號，有點不敢相信自己的眼睛，驗證了多次都和商用光譜儀測量結果相符，那一刻真是百感交集。」回首這段經歷，楊宗銀至今記憶猶新。

楊宗銀介紹，實驗人員用一種帶隙漸變的特殊納米線替代了傳統光譜儀中的分光和探測元件，採用和製作電腦晶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的特性，通過逆問題的求解，從響應函數方程組中重構出所需要測量的光譜信息。

更值得一提的是，這樣製造出的微型光譜儀具有便攜、易推廣的特性，非常適合應用在可穿戴電子設備等新興領域，具有廣闊的應用前景。

光譜檢測走進大眾生活

可是這僅有頭髮絲千分之一大小的微型光譜儀，甚至肉眼都無法看清楚，老百姓又該怎樣使用呢？

面對疑惑，楊宗銀解釋說，納米線光譜儀可以做成光譜晶片，與廣泛使用的手機攝像系統具有良好的兼容性，繼而設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從實驗室搬到手掌上。今後，只需要掏出手機給物體拍個照，就能獲得該物體的光譜信息。

獲取的這些信息數據，通過手機APP軟體，將需要檢測的信息和對應資料庫中的數據進行對比分析，人們就能直觀地看出相關成分的含量在一個怎樣的範圍之內。

「這跟我們在醫院得到的驗血報告類似。不過，要做到這一步，還需要時間來進行後續的研發。」楊宗銀說。

谷付星介紹，除了應用在電子設備上面，通過後續開發，等納米機器人技術成熟，供電和信號傳輸的問題解決之後，這種微型光譜儀還有望通過注射植入到人體，用於實時監測人體健康狀況，為癌症等疾病檢測提供一種新的檢測治療方法。

對於檢測人體健康狀況這個功能，比如血糖指標等，谷付星表示非常慎重：「涉及人體的健康實驗，會比較麻煩，我們的產品要確保檢測結果的正確性，也要符合國家醫療衛生保健的相關標準，這個實現的過程會比較漫長。」

他們希望等到技術成熟時，這樣的微型光譜儀只需要幾百塊錢就能讓老百姓輕鬆擁有。那時，光譜檢測技術將真正走進大眾的生活。

相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.aax8814

 

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