En sensor i pinstørrelse kunne bringe kemisk ID til enheder i smartphonestørrelse

Forestil dig at pege din smartphone mod en salt snack, du fandt bagerst i dit spisekammer, og straks vide, om dens ingredienser var blevet harske.

Enheder kaldet spektrometre kan detektere farlige kemikalier baseret på et unikt "fingeraftryk" af absorberet og udsendt lys. Men disse lyssplittende instrumenter har længe været både omfangsrige og dyre, forhindrer deres brug uden for laboratoriet.

Indtil nu. Ingeniører ved University of Wisconsin-Madison har udviklet et spektrometer, der er så lille og enkelt, at det kunne integreres med kameraet på en typisk mobiltelefon uden at ofre nøjagtigheden.

"Dette er en kompakt, single-shot spektrometer, der tilbyder høj opløsning med lave fremstillingsomkostninger, " siger Zhu Wang, som var blandt holdet af elektriske ingeniører, der skabte enheden.

Forskerne offentliggjorde en beskrivelse af enhederne 4. marts, 2019, i journalen Naturkommunikation .

Holdets enheder har også en avanceret funktion kaldet hyperspektral billeddannelse, som indsamler information om hver enkelt pixel i en billedrækkefølge for at identificere materialer eller detektere specifikke objekter midt i en kompliceret baggrund. Hyperspektral sansning, for eksempel, kan bruges til at opdage sømme af værdifulde mineraler i klippeflader eller til at identificere specifikke planter i et stærkt bevokset område.

Ethvert elements spektrale fingeraftryk inkluderer unikke udsendte eller absorberede bølgelængder af lys - og spektrometrets evne til at fornemme, at lys er det, der har gjort forskerne i stand til at gøre alt fra at analysere sammensætningen af ​​ukendte forbindelser til at afsløre sammensætningen af ​​fjerne stjerner.

Spektrometre er normalt afhængige af prismer eller gitre til at opdele lys, der udsendes fra et objekt, i diskrete bånd - hver svarer til en anden bølgelængde. Et kameras fotodetektor kan fange og analysere disse bånd; for eksempel, det spektrale fingeraftryk af grundstoffet natrium består af to bånd med bølgelængder på 589 og 590 nanometer.

Menneskelige øjne ser 590 nanometer bølgelængde lys som en gullig-orange nuance. Kortere bølgelængder svarer til blå og lilla, hvorimod længere bølgelængder ser røde ud. Sollys indeholder en komplet regnbue blandet sammen, som vi ser som hvide.

For at løse forskellen mellem en blanding af forskellige farver, spektrometre skal normalt være relativt store med en lang vejlængde for at lysstråler kan bevæge sig og adskilles.

Alligevel skabte holdet små spektrometre, måler kun 200 mikrometer på hver side (omtrent en-20. af arealet af en kuglepenspids) og sart nok til at ligge direkte på en sensor fra et typisk digitalkamera.

Den lille størrelse var mulig, fordi forskerne baserede deres enhed på specialdesignede materialer, der tvang indkommende lys til at hoppe frem og tilbage flere gange, før de nåede sensoren. Disse indre refleksioner forlængede den sti, som lyset rejste langs uden at tilføje bulk, øge enhedernes opløsning.

Og enhederne udførte hyperspektral billeddannelse, løse to forskellige billeder (af tallene fem og ni) fra et øjebliksbillede af en overlejret projektion, der kombinerede parret til noget, der ikke kan skelnes med det blotte øje.

Nu håber holdet at booste enhedens spektrale opløsning samt klarheden og sprødheden af ​​de billeder, den tager. Disse forbedringer kan bane vejen for endnu flere forbedrede sensorer.