Trådløst håndholdt spektrometer overfører data til smartphone

Spektralbilleder, som indeholder flere farveoplysninger end der kan opnås med et typisk kamera, afsløre karakteristika ved væv og andre biologiske prøver, som ikke kan ses med det blotte øje. En ny smartphone-kompatibel enhed, der holdes som en blyant, kan gøre det praktisk at erhverve spektrale billeder af dagligdags genstande og kan i sidste ende bruges til læge-diagnose på fjerntliggende steder.

Potentielle anvendelser af den nye enhed omfatter registrering af iltmætning i en persons blod, at bestemme friskheden af ​​kød i købmanden og identificere frugt, der er den perfekte modenhed. Spektrometeret kunne også gøre det lettere at erhverve spektrale data i feltet til videnskabelige undersøgelser.

I tidsskriftet The Optical Society (OSA). Biomedicinsk optik Express , forskerne beskriver, hvordan man laver det nye blyantlignende spektrometer og demonstrerer dets evne til at erhverve spektrale billeder af bananer, svinekød og en persons hånd. Den nye enhed kan registrere bølgelængder fra 400 til 676 nanometer på 186 pletter samtidigt.

"Den nemmeste måde at bruge et spektrometer på er at vinke det over den del af kroppen eller det objekt, der undersøges, " sagde første forfatter Fuhong Cai, Hainan Universitet, Kina. "Imidlertid, mange hjemmelavede bærbare spektrometre bruger et smartphone-kamera til at indsamle data og en telefonholder, der indeholder anden nødvendig optik. Vuggen kan være svær at justere korrekt og gør det besværligt at vifte smartphonen hen over kroppen."

I stedet for at bruge et smartphone -kamera til at erhverve billeder, det nye spektrometer bruger et kommercielt tilgængeligt komplementært metaloxid-halvleder (CMOS) kamera, der trådløst sender billeder til en smartphone. Denne fremgangsmåde gjorde det muligt for forskerne at samle en cylindrisk spektral billeddannelsesenhed, der kun vejer 140 gram (ca. 5 ounces), der er omtrent smartphonens længde og lidt over 3 centimeter i diameter.

Brug af hyldekomponenter

Det nye blyantlignende spektrometer bruger alle kommercielt tilgængelige komponenter, der kan købes for mindre end $300 (US). Lyskilden er en række hvide LED'er, som forbinder til et optisk objektivrør fra hylden med CMOS-detektoren og andre optiske komponenter, der er nødvendige for spektral billeddannelse.

Man kan bruge det blyantlignende spektrometer ved blot at flytte det over målområdet i hånden. Denne manuelle skubkost-scanningsproces opbygger en række spektrale billeder, der sendes til en smartphone eller computer, hvor software syr spektralbillederne sammen til en 3D-spektral billeddatakube.

Forskerne testede spektrometeret ved at bruge det til at opdage bananmodne og niveauer af myoglobin-det jernholdige protein, der giver kød sin farve-i et stykke svinekød. De brugte det også til at scanne en persons hånd, opnåelse af en 16-sekunders video indeholdende 200 spektrale billeder. Fra 3D-spektralbillederne, forskerne kunne skelne fem fingre og håndfladen og så forskelle i hæmoglobinfordelingen i forskellige dele af hånden.

Forskerne er også interesserede i at bruge deres kompakte billeddannelsesspektrometer til miljøovervågning. "Vi udvikler distribuerede spektrale kameraer, der kan bruges til en lang række havundersøgelser, såsom påvisning af opløst organisk stof i vand eller pigmenter, der indikerer tidlige tegn på skadelige algeblomster, " sagde Cai. "Da billedspektrometeret kan oprette forbindelse til enhver type kamera, vi undersøger også tanken om at fastgøre det til kameraet i et autonomt køretøj for at skabe et fjerntliggende havsensoringssystem. "

Optimering af systemet

Selvom brugen af ​​kommercielt tilgængelige komponenter til at lave prototypen betyder, at alle kan samle enheden, det sætter også nogle begrænsninger for opløsning og følsomhed. For eksempel, prototypen kan kun løse bølgelængder, der afviger med mindst 17 nanometer.

"Vi forventer betydelige forbedringer i spektralopløsningen i fremtiden ved at bruge et forbedret kamera med et brændviddeobjektiv, "sagde Dan Wang, Beijing University of Chemical Technology, Kina, et medlem af forskergruppen. "Disse forbedringer ville udvide applikationerne til enheden."

Forskerne planlægger også at udvikle software til at gøre spektralbilledet endnu mere nyttigt. "Vi ønsker at udvikle måder at bruge maskinlæringsalgoritmer til at analysere de enorme mængder data, der kunne indsamles med den bærbare spektra-imager, "sagde Sailing He, Zhejiang Universitet, Kina, medlem af forskergruppen. "Vi vil også oprette software til smartphones, der bruger spektrale billeddannelsesdata til at måle kødets friskhed, for eksempel."