2019-09-06 05:44:01
纳米线取代了牛顿著名的玻璃棱镜

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科学家设计了一种超小型化设备,可以直接成像单细胞而无需显微镜或通过智能手机进行化学指纹分析。

该器件由单根纳米线制成,比人类头发薄1000倍,是迄今为止设计的最小光谱仪。它可以用于潜在的应用,例如评估食品的新鲜度,药物质量,甚至识别假冒物品,所有这些都来自智能手机相机。详情见“科学”杂志。

在17世纪,艾萨克·牛顿通过他对棱镜分裂光的观察,为研究光与物质光谱之间相互作用的新科学领域播下了种子。如今,光谱仪是工业和几乎所有科学研究领域的重要工具。通过分析光的特性,光谱仪可以告诉我们银河星云中的过程,距离数百万光年,直至蛋白质分子的特征。

然而,即使是现在,大多数光谱仪都基于类似牛顿用其棱镜所展示的原理:光在不同光谱成分中的空间分离。这样的基础从根本上限制了光谱仪的尺寸:它们通常体积大且复杂,并且难以缩小到比硬币小得多的尺寸。在Newton之后四百年,剑桥大学的研究人员克服了这一挑战,产生的系统比之前报道的系统小了一千倍。

剑桥团队与来自英国,中国和芬兰的同事合作,使用了一种纳米线,其材料成分沿其长度变化,使其能够响应可见光谱中不同颜色的光。使用类似于用于制造计算机芯片的技术,他们随后在该纳米线上创建了一系列光响应部分。

“我们设计了一种纳米线,使我们能够摆脱分散元素,如棱镜,产生比传统光谱仪所允许的更简单,超小型化的系统,”剑桥石墨烯中心的第一作者Zongyin Yang说。 “然后,我们从纳米线部分得到的个体反应可以直接输入计算机算法,以重建入射光谱。”

“当您拍摄照片时,以像素存储的信息通常仅限于红色,绿色和蓝色三个组成部分,”共同第一作者Tom Albrow-Owen说。 “使用我们的设备,每个像素都包含来自可见光谱的数据点,因此我们可以获取远远超出我们的眼睛可以感知的颜色的详细信息。例如,这可以告诉我们关于图像帧中发生的化学过程“。

“我们的方法可以实现光谱设备的前所未有的小型化,在某种程度上可以将它们直接整合到智能手机中,将强大的分析技术从实验室带到掌中,”领导该研究的Tawfique Hasan博士说。

纳米线最有希望的潜在用途之一可能是生物学。由于该设备非常小,因此无需显微镜即可直接成像单个细胞。与其他生物成像技术不同,纳米线光谱仪获得的信息包含每个像素的化学指纹的详细分析。

研究人员希望他们所创造的平台能够产生从紫外到红外范围的全新一代超紧凑光谱仪。这些技术可用于广泛的消费,研究和工业应用,包括芯片实验室系统,生物植入物和智能可穿戴设备。

剑桥团队已经为该技术申请了专利,并希望在未来五年内看到真实的应用程序。

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