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從實驗室走進百姓家 納米級光譜儀一掃便知食物新鮮否
2019-11-9 16:41:50 食品新資源網  
 
【買了青菜,擔心有農藥,拿出手機,打開攝像頭,讓微型光譜儀給蔬菜做個CT。這些看似“科幻”的操作,在不久的將來都可變成現實。】

買了青菜,擔心有農藥,拿出手機,打開攝像頭,讓微型光譜儀給蔬菜做個CT。這些看似“科幻”的操作,在不久的將來都可變成現實。

這一切的背后,離不開一根由半導體納米線組成的微型光譜儀。其大小比人類頭發絲千分之一還細。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、蛋白質含量、糖分含量等。”英國劍橋大學石墨烯中心博士后、此光譜儀的發明者之一楊宗銀解釋說。

牛頓的棱鏡

17世紀,牛頓發現太陽光通過棱鏡的折射后可觀察到彩色,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,牛奶里的成分便一目了然。

“每個物質都會有相應的光譜信號,如水、乙醇、糖的吸收光譜,熒光、拉曼光譜都不一樣。據此可以確定牛奶的成分,看看其糖分高低、含水量多少以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介紹說,借助光譜儀,人們可以快速分析食物成分。

盡管目前光譜儀技術已經成熟,但光譜儀的微型化卻遇到了門檻。“普通光譜儀包含色散元件,這是個很核心的器件。”谷付星介紹說,科研人員一般用棱鏡或者光柵對入射光進行分光色散,然后在后方放置一個光探測器陣列用于測量不同譜線的強度信息。但是,由于使用了棱鏡光柵等分光元件,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分辨率、靈敏度及動態檢測范圍顯著下降。

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,包括且不局限于利用高度集成的微電子芯片處理信號,使用精密加工技術使器件空間體積更小等手段,但均未突破色散如棱鏡和光柵等這個核心器件的限制。來自中國、英國和芬蘭的科研團隊另辟蹊徑,僅僅采用了一根半導體納米線,就成功克服了這個技術難題。

納米牽起兄弟情

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:“得到的納米線在熒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棱鏡實驗中的七彩色。”楊宗銀說,沿著這一思路,這對師兄弟開始探索用納米線替代三棱鏡,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并非易事。盡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”。由于實驗室剛起步,無法滿足光譜實驗的條件,于是他一邊研究氫氣傳感,一邊將希望寄托于前往劍橋大學讀博的楊宗銀。而在大洋彼岸,楊宗銀心儀的納米線光譜儀課題和導師的研究方向并不匹配,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。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。

據楊宗銀介紹,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,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,這樣制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。

百姓可輕松擁有

可是這僅有頭發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芯片,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,把光譜分析技術從實驗室搬到手掌上。今后,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軟件,將需要檢測的信息和對應數據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范圍之內。“這跟人們在醫院得到的驗血報告類似。不過,要做到這一步,還需要時間來進行后續的研發。”楊宗銀說。

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

對于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。”

科學家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松擁有。那時,光譜檢測技術將真正走進大眾的生活。(程唯珈)


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