深圳商報2019年9月11日訊 （記者吳吉）打開(kāi)手機攝像頭，就可以“讀出”牛奶里是否含有三聚氰胺……這不是科幻片里的情景。隨著(zhù)世界最小光譜儀問(wèn)世，這一切很可能變成現實(shí)。美國《科學(xué)》雜志北京時(shí)間9月6日發(fā)表了一項科研成果——由一根比人類(lèi)頭發(fā)千分之一還細的半導體納米線(xiàn)組成的微型光譜儀，其大小僅為市面上最小光譜儀的千分之一。它可被集成到手機上，只要用手機一掃就可以檢測出食物的新鮮度、食品藥品的成分，還可用于藝術(shù)品的鑒定。
這一科研成果由中國、英國、芬蘭等國科研工作者合作完成。來(lái)自上海理工大學(xué)、浙江大學(xué)、南京大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京大學(xué)等國內高校的科研工作者都參與其中。記者通過(guò)“有問(wèn)”平臺組織的線(xiàn)上發(fā)布會(huì )了解到，研究團隊已經(jīng)在申請這個(gè)微型光譜儀的專(zhuān)利。他們希望在這種光譜儀的基礎上開(kāi)發(fā)出一系列覆蓋紫外到紅外的微型光譜儀，用大概5年左右的時(shí)間使微型光譜儀廣泛應用到科研、生產(chǎn)以及生活中。
利用納米技術(shù)將光譜儀“微縮”
據介紹，17世紀，牛頓發(fā)現太陽(yáng)光通過(guò)棱鏡的折射后可觀(guān)察到彩色。這個(gè)色散實(shí)驗推動(dòng)了光譜儀的誕生。光譜儀可以檢測光譜中不同譜線(xiàn)強度，比如可以測出陽(yáng)光的七彩色中每種顏色光的亮度。通過(guò)對光譜的測量，可以幫助人們獲知大到幾百萬(wàn)光年外的星系活動(dòng)，小到納米尺度的分子結構。還可以用來(lái)分析物體中的化學(xué)成分，從而用作對空氣污染、食品衛生、農作物生長(cháng)、人體健康狀況的檢測工具，在科研和工業(yè)生產(chǎn)中扮演著(zhù)極為重要的角色?！肮庾V儀的微型化是目前科技界面臨的一項技術(shù)挑戰?！闭撐牡牡谝蛔髡?、劍橋大學(xué)石墨烯中心博士后楊宗銀說(shuō)，目前大部分光譜儀的工作原理仍和牛頓的實(shí)驗相似，需要用到棱鏡或光柵之類(lèi)的分光元件。這種光譜儀體積龐大，已無(wú)法滿(mǎn)足日益發(fā)展的光譜應用技術(shù)的需求。但是減小分光和探測元件的尺寸將導致光譜儀的光譜分辨率、靈敏度及動(dòng)態(tài)檢測范圍顯著(zhù)下降。
楊宗銀和合作團隊另辟蹊徑，用一種帶隙漸變的特殊納米線(xiàn)替代了傳統光譜儀中的分光和探測元件，采用與制作電腦芯片類(lèi)似的工藝在這種納米線(xiàn)上加工出了光探測器陣列。他們利用各個(gè)探測器對不同顏色光具有不同響應的特性，通過(guò)逆問(wèn)題的求解，從響應函數方程組中重構出所需要測量的光譜信息。
微型光譜儀可應用在手機上
上海理工大學(xué)副教授、博導谷付星是論文的共同作者之一。談及光譜信號的實(shí)際用處，他表示，每個(gè)物質(zhì)都會(huì )有相應的光譜信號，如水、乙醇、糖的吸收光譜、熒光、拉曼光譜都不一樣。據此可以確定牛奶的成分，看看哪杯的糖分高低，含水量多少以及是否含有三聚氰胺等?！叭绻覀冊谌粘Ｉ钪心芗皶r(shí)獲得物質(zhì)的光譜信息，將會(huì )大大豐富我們的生活和世界?！?/p>
楊宗銀則表示，微型光譜儀與廣泛使用的手機攝像系統具有良好的兼容性，可設計成緊湊式光譜儀模塊使手機具備光譜探測能力，把強大的光譜分析技術(shù)從實(shí)驗室搬到手掌上，方便在生活中測量食物、皮膚的光譜信息，從而判斷食品安全以及身體健康程度，使得光譜檢測技術(shù)有望走進(jìn)大眾日常生活中。
研發(fā)團隊還用微型光譜儀對單個(gè)細胞進(jìn)行掃描光譜成像，從而可以分析細胞每個(gè)部分的化學(xué)變化。通過(guò)后續開(kāi)發(fā)，這種微型光譜儀將有望通過(guò)注射植入到人體，用于實(shí)時(shí)監測人體健康狀況，為癌癥等疾病檢測提供一種新的方法。另外，近紅外光譜技術(shù)在食品藥物分析方面也可以發(fā)揮重要的應用。