深圳商報(bào)2019年9月11日訊 （記者吳吉）打開手機(jī)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。隨著世界最小光譜儀問(wèn)世，這一切很可能變成現(xiàn)實(shí)。美國(guó)《科學(xué)》雜志北京時(shí)間9月6日發(fā)表了一項(xiàng)科研成果——由一根比人類頭發(fā)千分之一還細(xì)的半導(dǎo)體納米線組成的微型光譜儀，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(jī)上，只要用手機(jī)一掃就可以檢測(cè)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(guó)、英國(guó)、芬蘭等國(guó)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(guó)內(nèi)高校的科研工作者都參與其中。記者通過(guò)“有問(wèn)”平臺(tái)組織的線上發(fā)布會(huì)了解到，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在申請(qǐng)這個(gè)微型光譜儀的專利。他們希望在這種光譜儀的基礎(chǔ)上開發(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(yīng)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(jù)介紹，17世紀(jì)，牛頓發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)光通過(guò)棱鏡的折射后可觀察到彩色。這個(gè)色散實(shí)驗(yàn)推動(dòng)了光譜儀的誕生。光譜儀可以檢測(cè)光譜中不同譜線強(qiáng)度，比如可以測(cè)出陽(yáng)光的七彩色中每種顏色光的亮度。通過(guò)對(duì)光譜的測(cè)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(jié)構(gòu)。還可以用來(lái)分析物體中的化學(xué)成分，從而用作對(duì)空氣污染、食品衛(wèi)生、農(nóng)作物生長(zhǎng)、人體健康狀況的檢測(cè)工具，在科研和工業(yè)生產(chǎn)中扮演著極為重要的角色。“光譜儀的微型化是目前科技界面臨的一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)。”論文的第一作者、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(yàn)相似，需要用到棱鏡或光柵之類的分光元件。這種光譜儀體積龐大，已無(wú)法滿足日益發(fā)展的光譜應(yīng)用技術(shù)的需求。但是減小分光和探測(cè)元件的尺寸將導(dǎo)致光譜儀的光譜分辨率、靈敏度及動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍顯著下降。
楊宗銀和合作團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，用一種帶隙漸變的特殊納米線替代了傳統(tǒng)光譜儀中的分光和探測(cè)元件，采用與制作電腦芯片類似的工藝在這種納米線上加工出了光探測(cè)器陣列。他們利用各個(gè)探測(cè)器對(duì)不同顏色光具有不同響應(yīng)的特性，通過(guò)逆問(wèn)題的求解，從響應(yīng)函數(shù)方程組中重構(gòu)出所需要測(cè)量的光譜信息。
微型光譜儀可應(yīng)用在手機(jī)上
上海理工大學(xué)副教授、博導(dǎo)谷付星是論文的共同作者之一。談及光譜信號(hào)的實(shí)際用處，他表示，每個(gè)物質(zhì)都會(huì)有相應(yīng)的光譜信號(hào)，如水、乙醇、糖的吸收光譜、熒光、拉曼光譜都不一樣。據(jù)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。“如果我們?cè)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。”
楊宗銀則表示，微型光譜儀與廣泛使用的手機(jī)攝像系統(tǒng)具有良好的兼容性，可設(shè)計(jì)成緊湊式光譜儀模塊使手機(jī)具備光譜探測(cè)能力，把強(qiáng)大的光譜分析技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室搬到手掌上，方便在生活中測(cè)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(cè)技術(shù)有望走進(jìn)大眾日常生活中。
研發(fā)團(tuán)隊(duì)還用微型光譜儀對(duì)單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行掃描光譜成像，從而可以分析細(xì)胞每個(gè)部分的化學(xué)變化。通過(guò)后續(xù)開發(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(jiān)測(cè)人體健康狀況，為癌癥等疾病檢測(cè)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(yīng)用。