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世界最小光譜儀問世 手機一掃可檢測出食物新鮮度和食品藥品成分

發布日期:2019-09-17  點擊次數:
       美國《科學》雜志近日發表了一項科研成果——由一根比人類頭發千分之一還細的半導體納米線組成的微型光譜儀。據介紹,該光譜儀大小僅為市面上最小光譜儀的千分之一,可被集成到手機上,用手機一掃就可以檢測出食物的新鮮度、食品藥品的成分,還可用于藝術品的鑒定。


“該光譜儀的最大優勢是體積小容易攜帶,成本低容易推廣,所以非常適合終端消費者使用,比如把它集成到手機上,可以隨時隨地對食品藥品進行檢測,這樣可以減輕監管部門的壓力,也讓大眾更加放心消費。”論文的第一作者、劍橋大學石墨烯中心博士后楊宗銀接受中國質量報記者采訪時說道。


據悉,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、浙江大學、南京大學、上海交通大學、北京大學等國內高校的眾多科研工作者都參與其中。


據介紹,光譜儀可以檢測光譜中不同譜線強度,通過對光譜的測量,可以用來分析物體中的化學成分,從而用作對空氣污染、食品衛生、農作物生長、人體健康狀況的檢測工具,在科研和工業生產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挑戰。”楊宗銀透露,目前大部分光譜儀仍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展的光譜應用技術的需求,但是減小分光和探測元件的尺寸將導致光譜儀的光譜分辨率、靈敏度及動態檢測范圍顯著下降。


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光譜儀中的分光和探測元件,采用和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的特性,通過逆向求解,從響應函數方程組中重構出所需要測量的光譜信息。“我們沿長度方向對納米線的組分進行了調控,這樣可以把傳統光學器件的尺寸縮小到納米尺度,使這些器件在可穿戴設備等新興領域中找到應用。”他說。


上海理工大學副教授、博士生導師谷付星是論文的共同作者之一。他和楊宗銀在浙江大學求學期間,已經發明了在單根納米線上調控帶隙的技術,“普通光譜儀都包含色散原件,這是很核心的器件,我們研發取得突破后,使用單根納米線就可以實現顏色分辨”。


谷付星說,每個物質都會有相應的光譜信號,如水、乙醇、糖吸收光譜、熒光、拉曼光譜的特性都不一樣,據此可以確定牛奶的成分,分辨糖分高低、含水量多少以及是否含有三聚氰胺等。


據了解,目前研究團隊已經在申請該微型光譜儀的專利。他們希望在這種光譜儀的基礎上開發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用到科研、生產以及生活中。


“我們研發的微型光譜儀與廣泛使用的手機攝像系統具有良好的兼容性,可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,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,使得光譜檢測技術有望走進大眾日常生活中。”楊宗銀說,該技術目前應用于食藥領域的瓶頸之一是缺乏大量的光譜數據庫,“這需要很長的時間來積累和實現。”他說。