Quantum-dot spektrometer er lille nok til at fungere i en smartphone

Instrumenter, der måler lysets egenskaber, kendt som spektrometre, er meget udbredt i fysisk, kemisk, og biologisk forskning. Disse enheder er normalt for store til at være bærbare, men MIT -forskere har nu vist, at de kan skabe spektrometre, der er små nok til at passe ind i et smartphone -kamera, ved hjælp af små halvleder -nanopartikler kaldet kvantepunkter.

Sådanne anordninger kan bruges til at diagnosticere sygdomme, især hudsygdomme, eller at opdage miljøforurenende stoffer og fødevareforhold, siger Jie Bao, en tidligere MIT postdoc og hovedforfatteren af ​​et papir, der beskriver quantum dot -spektrometrene i 2. juli -udgaven af Natur .

Dette arbejde repræsenterer også en ny applikation for kvantepunkter, som primært er blevet brugt til mærkning af celler og biologiske molekyler, samt i computer- og tv -skærme.

"Brug af kvantepunkter til spektrometre er en så ligetil applikation sammenlignet med alt andet, som vi har forsøgt at gøre, og det synes jeg er meget tiltalende, "siger Moungi Bawendi, Lester Wolfe professor i kemi ved MIT og papirets seniorforfatter.

Skrumpende spektrometre

De tidligste spektrometre bestod af prismer, der adskiller lyset til dets bølgelængder, mens de nuværende modeller bruger optisk udstyr såsom diffraktionsgitre for at opnå den samme effekt. Spektrometre bruges i en lang række applikationer, såsom at studere atomprocesser og energiniveauer i fysik, eller analyse af vævsprøver til biomedicinsk forskning og diagnostik.

Ved at udskifte det omfangsrige optiske udstyr med kvantepunkter tillod MIT -teamet at skrumpe spektrometre til omtrent størrelsen af ​​et amerikansk kvarter, og at drage fordel af nogle af de iboende nyttige egenskaber ved kvantepunkter.

Quantum prikker, en type nanokrystaller opdaget i begyndelsen af ​​1980'erne, fremstilles ved at kombinere metaller såsom bly eller cadmium med andre elementer, herunder svovl, selen, eller arsen. Ved at kontrollere forholdet mellem disse udgangsmaterialer, temperaturen, og reaktionstiden, forskere kan generere et næsten ubegrænset antal prikker med forskelle i en elektronisk ejendom kendt som bandgap, som bestemmer lysets bølgelængder, som hver prik vil absorbere.

Imidlertid, de fleste af de eksisterende applikationer til quantum dots drager ikke fordel af dette enorme udvalg af lysabsorbering. I stedet, de fleste applikationer, såsom mærkning af celler eller nye typer tv -skærme, udnytte kvanteprikkers fluorescens - en egenskab, der er meget vanskeligere at kontrollere, Siger Bawendi. "Det er meget svært at lave noget, der fluorescerer meget lyst, "siger han." Du skal beskytte prikkerne, du er nødt til at lave al denne teknik. "

Forskere arbejder også på solceller baseret på kvantepunkter, som er afhængige af prikkers evne til at omdanne lys til elektroner. Imidlertid, dette fænomen er ikke godt forstået, og er svær at manipulere.

På den anden side, kvanteprikkers absorptionsegenskaber er velkendte og meget stabile. "Hvis vi kan stole på disse egenskaber, det er muligt at oprette applikationer, der vil have større indflydelse på det relativt korte sigt, "Siger Bao.

Bredspektret

Det nye quantum dot -spektrometer anvender hundredvis af quantum dot -materialer, der hver filtrerer et bestemt sæt bølgelængder af lys. Quantum dot-filtrene udskrives i en tynd film og placeres oven på en fotodetektor, f.eks. De ladningskoblede enheder (CCD'er), der findes i mobiltelefonkameraer.

Forskerne oprettede en algoritme, der analyserer procentdelen af ​​fotoner absorberet af hvert filter, rekombinerer derefter oplysningerne fra hver enkelt for at beregne intensiteten og bølgelængden af ​​de originale lysstråler.

Jo flere quantum dot -materialer der er, jo flere bølgelængder kan dækkes, og den højere opløsning kan opnås. I dette tilfælde, forskerne brugte omkring 200 typer kvantepunkter spredt over en rækkevidde på omkring 300 nanometer. Med flere prikker, sådanne spektrometre kunne være designet til at dække et endnu bredere spektrum af lysfrekvenser.

"Bawendi og Bao viste en smuk måde at udnytte den kontrollerede optiske absorption af halvlederkvantumpunkter til miniaturespektrometre. De viser et spektrometer, der ikke kun er lille, men også med høj gennemstrømning og høj spektral opløsning, som aldrig er opnået før, "siger Feng Wang, en lektor i fysik ved University of California i Berkeley, der ikke var involveret i forskningen.

Hvis den er inkorporeret i små håndholdte enheder, denne type spektrometer kan bruges til at diagnosticere hudsygdomme eller analysere urinprøver, Siger Bao. De kan også bruges til at spore vitale tegn såsom puls og iltniveau, eller for at måle eksponering for forskellige frekvenser af ultraviolet lys, som varierer meget i deres evne til at beskadige huden.

"Den centrale komponent i sådanne spektrometre-quantum dot filter array-er fremstillet med løsningsbaseret behandling og udskrivning, hvilket muliggør en betydelig potentiel omkostningsreduktion, "Tilføjer Bao.