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光谱仪是做什么用的(造出全球最小光谱仪)

股市财经 jstd_admin 40浏览 0评论

就在刚刚,曾研制出全球最小光谱仪的浙大信息与电子工程学院研究员杨宗银,发表了其作为第一作者的第二篇 Science 。

图 | 论文《光学光谱仪的小型化》

该论文已于 1 月 29 日早晨上线,论文题为《光学光谱仪的小型化》(Miniaturization of optical spectrometers)。

他研究的光谱和你我息息相关,你能看到的每种物质,都有对应的光谱信号。杨宗银告诉 DeepTech,这是目前第一篇全面介绍光谱仪文章,文中介绍了四种光谱仪,并总结出该领域内的发展脉络,非常适合新人入门、以及领域内学者补漏查缺。

图 | 杨宗银(来源:受访者)

光谱仪是近二十年来兴起的一种技术,它能通过测量物质吸收、或物质发射的谱线,去分析其成分及结构,是科研和业界最常用的测量工具之一。

这项技术本身要从 17 世纪说起,牛顿发现棱镜在折射太阳光后,会呈现彩虹色,光谱仪的诞生正是基于这个色散实验。

通过检测光谱中的谱线强度,光谱仪可检测出物体上每种颜色的亮度。其应用大到天文,小到分子,比如它能检测几百万光年外的星系活动,还能检测纳米尺度中的分子结构。

图 | 小型化光谱器件领域

它的具体应用,更是非常日常。通过光谱信号可确定牛奶的成分,还可查看饮料糖分的高低,它还能识别水果或蔬菜中的含糖量、成熟度或酸碱度,也可通过皮肤照片来查看皮肤含水量。

由于光谱仪的光路复杂,内部有着较多精密光学元件,这些元件造价很高,故此当前光谱仪价格普遍在几万元以上。

并且,此前光谱仪的工作原理,仍然沿用四百多年前牛顿的实验原理,即使用棱镜或光栅分光元件,这导致光谱仪体积普遍比较庞大,因此很难满足更多应用。

而杨宗银做的工作,就是把成本降到十到几十元,并能把它做的很小,可以集成到手表或手机中。

2019 年,杨宗银在 Science 发表论文《单纳米线光谱仪》Single-nanowire spectrometers,这标志着世界上最小的光谱仪诞生,其直径比头发还要细。

审稿人评价说,“纳米线光谱仪是一台集合了目前世界上最先进的材料合成工艺、配上最高超的器件制作水准和实验技巧、再加上巧妙的算法得到的惊艳之作。”

图 | 世界上最小的光谱仪(来源:受访者)

该工作的创新点在于,杨宗银用带隙渐变的特殊纳米线,代替传统光谱仪中的分光和探测元件,并通过类似电脑芯片制作的工艺,在纳米线上加工出光探测器阵列。对于不同颜色的光,各种探测器可产生不同的响应。

基于此,他在响应函数方程组中,以逆问题求解的方式,重构出所需测量的光谱信息。

图 | 光谱仪设计(来源:受访者)

以相机拍照为例,每个像素点只含有红蓝绿三种颜色,而该光谱仪能让每个像素点记录下几十到上百种谱线强度。以发光的火焰为例,该光谱仪不仅能检测到火焰的色彩,还可通过测量火焰的光,来获悉里面发生的化学反应。

图 | 微米尺度的光谱成像(来源:受访者)

此外,该光谱仪还可对细胞进行光谱成像,和常见细胞成像技术不同的是,光谱仪成像可通过光谱信息,去分析细胞细微部分的化学变化。加以后续开发,该光谱仪有望通过注射到人体内,来实时监测人体健康。

不过在健康应用上需要更加慎重,如他所言:“涉及人体的健康实验,会比较麻烦,我们的产品要确保检测结果的正确性,也要符合国家医疗卫生保健的相关标准,这个实现的过程会比较漫长。”

图 | 该研究的主要参与者,左二为杨宗银

而这项技术要想进入寻常百姓家,最好的方式之一便是集成到手机中,即把 “光谱分析技术从实验室搬到手掌上”。

一年多过去,他在原基础上已对该光谱仪做出迭代版本。

杨宗银介绍,数月之后其实验室即将诞生集成光谱仪的手机样机,这种光谱仪手机落地之后,可让用户通过简单的拍照,就能测量人脸或食物中的光谱信息。

届时,通过相应 App,用户把需要检测的信息,和数据库中的数据进行对比,就能查看物质的相关含量,他表示 “这其实就像我们在医院得到的验血报告一样。”

此外,未来他将在现有基础上,开发出覆盖紫外到红外的微型光谱仪,届时应用范围更加广泛。

这是一项持续八年的研究,最初的研发要从“一根彩虹” 开始。

2011 年,在浙大读研期间,他和同学发明了在单根纳米线上调控带隙的技术,这种技术得出的纳米线,在荧光显微镜下看起来就像一道彩虹。

当时,他猜想这种材料或许可用于分析光谱,由于当时条件不足,这项研究被迫搁置。

2014 年秋,他来到剑桥大学光电子学专业读博,并重拾起三年前的想法。

期间在 150 个光谱仪器件上做实验,然而都失败了。在妻子的鼓励和自己的坚持下,终于在 2017 年,他心有不甘地再次尝试,并开始有一点起色。

2018 年夏,他正在写毕业论文,但是光谱仪的实验结果仍然无果。8 月中旬的一个深夜,他去测试最后一个样品,结果刚好和商用光谱仪完全对的上。

于是他开始写论文,写好的那一周,恰逢女儿出生。而在后面,他给论文准备了三十页的回复,Science 编辑直接接受,论文仅用两个月就被收录和发表。

忆起那个“胜利之夜”,他曾说:“那一刻百感交集,想到这几年的种种经历,一个人在实验室呆坐了好久好久。”

该研究虽然在剑桥大学完成,但实为中外合作的结果,其中也有杨宗银硕士导师童利民的参与。

具体研究中,他发明了一种方法,该方法使用的纳米线只有发丝的 1/1000,它可有效捕获光子,此外通过使用可重构光信号全光谱的智能计算软件,制备出的光谱仪尺寸仅有几十微米,大小不到市面光谱仪的千分之一,可集成到手机中。

2019 年论文发表后至今,他对原有光谱仪做了改进,以前它只是单点的光谱仪,只能对一个点做光谱测量,现在已可以集成到手机商用摄像头中,并且每个像素点都是一个光谱。

以测试苹果为例,以前只能测出苹果局部有些红、或有些绿,但无法测试到颜色呈现的具体位置,而现在的光谱仪版本,可精准获悉苹果呈现颜色的具体位置。

此前光谱仪使用非标芯片工艺,现在使用标准芯片工艺,产业化程度得以提高。制备流程也采用标准流程,成本已降低到十元钱以内。

能有上述提升,是因为杨宗银结合几种微光谱仪的方案,并结合了纳米材料之间的优势。

杨宗银是温州人,从小就喜欢拆零件做小发明,小时候曾做过可随光照自动发声的闹钟和光控灯等。

然而,高考结束后,却被浙大生物系录取,由于更喜欢的是机械,大一期间他过得并不开心,大二时转学到机械专业,并通过参加机器人竞赛、机械设计竞赛等实现了小时候的发明梦想。

但第二次 “阴差阳错” 再次发生,并改写了他的人生。在浙大保研时,机械系名额不足,当时他刚好遇到光电系的童利民教授,后者发现杨宗银很适合做科研,并像 “捡到宝一样” 给他争取到光电系的名额。由于机械系的本科背景,做光电实验时,他非常得心应手。

图 | 做实验的杨宗银

比如,市面上没有的设备,他能直接设计并制作加工出来,因此他做实验非常快,有了新想法很快就能做出来。

回望浙大读书期间的两次 “命运的安排”,他总结称,小时候做机械的想法,并不是对科学的全面认知,当时对科学的理解就是目之所及的电路,但当认知边界扩展后,他发现想做出更多前沿科学成果,就得和光电结合起来。

西湖,是杨宗银眼中一个小小的心灵花园。2014 年出国去剑桥读书前一晚,他说自己是听着西湖边的音乐喷泉离开的。读博结束后,他自己很想回国,同时也收到浙大的回国邀请。如今,他在浙大玉泉校区工作,走十几分钟就能到西湖。而这大概也是这位 33 岁温州籍科学家的最好归宿。

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