Прорыв в области компактной спектрометрии
Группа инженеров представила революционный мини-спектрометр, который умещается на кончике пальца и работает при низком напряжении, сканируя свет в диапазоне от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного менее чем за миллисекунду.
Это революционное устройство заменяет громоздкие традиционные спектрометры и вскоре может быть встроено в смартфоны, предоставляя мощные инструменты для анализа материалов, биомедицинской диагностики и многого другого — прямо у вас в кармане. Его крошечный фотодетектор меняет чувствительность к свету при простом изменении напряжения, обеспечивая скорость и точность в устройстве размером меньше пикселя.
Исследователи разработали принципиально новый спектрометр, который значительно меньше существующих моделей, но при этом способен точно определять длину световых волн в широком диапазоне — от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного. Это достижение открывает возможности для создания компактных портативных инструментов для спектроскопии и может привести к появлению спектрометров с высоким разрешением, построенных на основе массивов таких миниатюрных датчиков.
«Спектрометры — важнейшие инструменты, которые помогают нам понять химические и физические свойства различных материалов на основе того, как меняется свет при взаимодействии с этими материалами, — говорит Брендан О’Коннор, автор статьи об этой работе и профессор машиностроения и аэрокосмической инженерии в Университете штата Северная Каролина. — Они используются в самых разных областях — от производства до биомедицинской диагностики. Однако самые маленькие спектрометры на рынке всё ещё довольно громоздкие».
Крошечный, быстрый и мощный анализатор света вскоре может превратить лабораторную спектроскопию в портативную. Фото: Shutterstock
Группа инженеров представила революционный мини-спектрометр, который умещается на кончике пальца и работает при низком напряжении, сканируя свет в диапазоне от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного менее чем за миллисекунду.
Спектрометр размером с пиксель
«Мы создали спектрометр, который работает быстро, при низком напряжении и чувствителен к широкому спектру света, — говорит О’Коннор. — Наш демонстрационный прототип занимает всего несколько квадратных миллиметров — он поместится на вашем телефоне. При желании его можно сделать размером с пиксель».
В этой инновационной конструкции используется миниатюрный фотодетектор, который может улавливать свет с разной длиной волны после его взаимодействия с определённым материалом. Регулируя напряжение, подаваемое на фотодетектор, исследователи могут контролировать, на какие длины волн он реагирует наиболее чувствительно.
Точность до миллисекунды при минимальном энергопотреблении
«Если быстро подать на фотодетектор ряд напряжений и измерить все длины волн света, улавливаемого при каждом напряжении, то у вас будет достаточно данных, чтобы с помощью простой вычислительной программы воссоздать точную характеристику света, проходящего через целевой материал или отражающегося от него, — говорит О’Коннор. — Диапазон напряжений составляет менее одного вольта, а весь процесс может занять менее миллисекунды».
Предыдущие попытки создать миниатюрные фотодетекторы основывались на сложной оптике, использовании высокого напряжения или не были столь чувствительны к такому широкому диапазону длин волн.
Производительность соответствует обычным устройствам
В ходе проверки концепции исследователи обнаружили, что их спектрометр размером с пиксель так же точен, как и обычный спектрометр, а его чувствительность сравнима с чувствительностью коммерческих фотодетекторов.
«В долгосрочной перспективе наша цель — вывести спектрометры на потребительский рынок, — говорит О’Коннор. — Размер и энергопотребление этой технологии позволяют встроить ее в смартфон, и мы думаем, что это открывает возможности для интересных приложений. С исследовательской точки зрения это также открывает путь к улучшению доступа к спектроскопии изображений, микроскопической спектроскопии и другим приложениям, которые будут полезны в лаборатории».