Nanotråde erstatter Newtons berømte glasprisme

Forskere har designet en ultra-miniaturiseret enhed, der direkte kan forestille enkeltceller uden behov for et mikroskop eller muliggøre kemisk fingeraftryksanalyse fra en smartphone.

Enheden, lavet af en enkelt nanotråd 1000 gange tyndere end et menneskehår, er det mindste spektrometer, der nogensinde er designet. Det kan bruges til potentielle anvendelser som f.eks. Vurdering af fødevarers friskhed, kvaliteten af ​​lægemidler, eller endda identificere forfalskede genstande, alt fra et smartphone kamera. Detaljer er rapporteret i journalen Videnskab .

I det 17. århundrede, Isaac Newton, gennem sine observationer om lysets opdeling af et prisme, såede frøene til et nyt videnskabeligt felt, der studerede interaktionerne mellem lys og stof - spektroskopi. I dag, optiske spektrometre er vigtige værktøjer i industrien og næsten alle videnskabelige forskningsområder. Gennem analyse af lysets egenskaber, spektrometre kan fortælle os om processerne i galaktiske stjernetåger, millioner af lysår væk, ned til egenskaberne ved proteinmolekyler.

Imidlertid, selv nu, flertallet af spektrometre er baseret på principper, der ligner det, Newton demonstrerede med sit prisme:den rumlige adskillelse af lys i forskellige spektrale komponenter. Et sådant grundlag begrænser fundamentalt størrelsen af ​​spektrometre i respekt:​​de er normalt omfangsrige og komplekse, og udfordrende at krympe til størrelser, der er meget mindre end en mønt. Fire hundrede år efter Newton, University of Cambridge forskere har overvundet denne udfordring med at producere et system, der er op til tusind gange mindre end dem, der tidligere er rapporteret.

Cambridge -teamet, arbejder med kolleger fra Storbritannien, Kina og Finland, brugte en nanotråd, hvis materialesammensætning varierer langs dens længde, gør det muligt at reagere på forskellige lysfarver på tværs af det synlige spektrum. Ved anvendelse af teknikker, der ligner dem, der anvendes til fremstilling af computerchips, de oprettede derefter en række lysreagerende sektioner på denne nanotråd.

"Vi konstruerede en nanotråd, der giver os mulighed for at slippe af med de spredende elementer, som et prisme, producerer en langt enklere, ultra-miniaturiseret system end konventionelle spektrometre kan tillade, "sagde første forfatter Zongyin Yang fra Cambridge Graphene Center." De individuelle svar, vi får fra nanotrådssektionerne, kan derefter føres direkte ind i en computeralgoritme for at rekonstruere det indfaldende lysspektrum. "

"Når du tager et fotografi, oplysningerne, der er gemt i pixels, er generelt begrænset til kun tre komponenter - rød, grøn, og blå, "sagde co-første forfatter Tom Albrow-Owen." Med vores enhed, hver pixel indeholder datapunkter fra hele det synlige spektrum, så vi kan erhverve detaljeret information langt ud over de farver, som vores øjne kan opfatte. Dette kan fortælle os, for eksempel, om kemiske processer, der forekommer i billedrammen. "

"Vores tilgang kunne tillade en hidtil uset miniaturisering af spektroskopiske enheder, i et omfang, der kunne se dem integreret direkte i smartphones, bringe kraftfulde analytiske teknologier fra laboratoriet til vores håndflade, "sagde Dr. Tawfique Hasan, der ledede undersøgelsen.

En af de mest lovende potentielle anvendelser af nanotråden kan være inden for biologi. Da enheden er så lille, det kan direkte billede enkeltceller uden behov for et mikroskop. Og i modsætning til andre bioimaging teknikker, oplysningerne fra nanotrådspektrometeret indeholder en detaljeret analyse af det kemiske fingeraftryk for hver pixel.

Forskerne håber, at den platform, de har skabt, kan føre til en helt ny generation af ultrakompakte spektrometre, der arbejder fra det ultraviolette til det infrarøde område. Sådanne teknologier kan bruges til en bred vifte af forbrugere, forskning og industrielle applikationer, herunder i lab-on-a-chip-systemer biologiske implantater, og smarte bærbare enheder.

Cambridge -teamet har indgivet patent på teknologien, og håber at se virkelige applikationer inden for de næste fem år.