Forskare har skapat ett spektrometerchip som passar på ett sandkorn.
Vad är en spektrometer?
En spektrometer är ett vetenskapligt instrument som analyserar material genom att studera hur de interagerar med ljus. När en ljuskälla lyser på ett ämne, absorberar detta ämne en del av det ljuset och avger ett karakteristiskt spektrum. Forskare kan studera detta spektrum för att identifiera de kemiska komponenterna i detta ämne.
Spektral avkänning kan diagnostisera sjukdomar, bedöma hälsan hos grödor på ett fält eller mäta jordkvaliteten. Traditionella spektrometrar delar upp ljus i en regnbåge av färger med hjälp av ett prisma eller galler, och mäter sedan ljusstyrkan för varje färg. Eftersom ljus måste färdas över ett visst avstånd för att separera ordentligt, tenderar traditionella spektrometerinstrument att vara stora och dyra.
Vad är ett spektrometerchip och hur fungerar det?
Ett spektrometerchip är en miniatyriserad version av en traditionell spektrometer. Ingenjörer bygger alla ljusavkännande komponenter direkt på en liten bit kisel. Detta chip utför samma kärnuppgift som ett laboratorieinstrument i full storlek – det identifierar den kemiska sammansättningen av ett material genom att analysera ljus – men det gör det utan några skrymmande optiska delar.
En traditionell spektrometer sprider ljus in i ett spektrum fysiskt med hjälp av ett glasprisma eller ett diffraktionsgitter. Ett spektrometerchip tar ett annat tillvägagångssätt. Istället för att separera ljus fysiskt använder detta chip en rad små fotodetektorer. Varje detektor reagerar på ett något olika våglängdsområde. Varje pixel i sensormatrisen tar selektivt emot ljus och genererar spektralt filtrerade signaler som en styrenhet kan komma åt.
Signalerna från detektorerna är kodade och överlappande — ingen enskild detektor ger en ren avläsning av en färg. En processorenhet – ofta driven av maskininlärning – analyserar sedan alla signaler tillsammans och rekonstruerar hela spektrumet beräkningsmässigt. Detta tillvägagångssätt ersätter det fysiska jobbet för ett prisma med en matematisk beräkning.
Resultatet är en enhet som kan passa på en fingertopp men ändå identifiera kemikalier, upptäcka sjukdomsmarkörer eller bedöma livsmedelskvalitet genom att analysera reflekterat eller transmitterat ljus.
Trycket för att göra spektrometrar mindre
I åratal har forskare arbetat med att krympa spektrometrar. Storleksminskningen har gått från bänkinstrument med ett fotavtryck på 200 cm² till handhållna mikrospektrometrar med ett fotavtryck på 40 mm². Varje steg ned i storlek har också lett till en kostnadsminskning, vilket gör denna teknik mer tillgänglig.
Ett forskarlag vid University of Michigan utvecklade en papperstunn miniatyrspektrometer som mäter bara 0,16 mm² som tål tuffa miljöer. Forskare designade den här enheten för att analysera en idrottsmans svett genom en bärbar hudplåster. Dessa ansträngningar visade att mindre spektrometrar var möjliga, men forskarna ville gå ännu längre.
Det nya lilla chipet från UC Davis
Nu har forskare vid University of California Davis (UC Davis) byggt ett spektrometerchip som närmar sig storleken på ett sandkorn. Detta chip mäter mindre än en halv kvadratmillimeter. Detta team, ledd av professor Saif Islam, publicerade resultaten i tidskriften Advanced Photonics.
”Vi ville ta den här kraften ur labbet och stoppa den i din ficka”, säger postdoktorn Ahasan Ahamed, den första författaren till tidningen.
Hur UC Davis-chippet fungerar
UC Davis-chippet använder inte ett prisma eller galler för att separera ljus. Istället förlitar den sig på en liten uppsättning sensorer i kombination med artificiell intelligens (AI).
Detta chip använder sexton kiselfotodetektorer, varje fotodetektor är känslig för olika våglängder av ljus. Varje fotodetektor fångar endast en del av spektralinformationen. Tillsammans samlar de sexton fotodetektorerna tillräckligt med data för att ett neuralt nätverk ska kunna rekonstruera hela ljusspektrumet.
Tänk på dessa sexton fotodetektorer som en grupp smakare som provar en komplex maträtt. Ingen enskild provare identifierar varje ingrediens, men tillsammans ger de tillräckligt med information för en utbildad expert att namnge receptet. AI:n spelar rollen som den experten.
Det AI-förstärkta chippet kan bibehålla signalens klarhet även i närvaro av betydande elektriska störningar – en stor utmaning inom portabel, lågkostnadselektronik.
Utökar känsligheten till det infraröda
En viktig teknisk utmaning var att utöka chipets känslighet bortom synligt ljus. Kiselsensorer fungerar bra för synliga våglängder men kämpar normalt för att upptäcka nära-infrarött (NIR) ljus – våglängder upp till 1100 nm. NIR-ljus är viktigt för medicinska tillämpningar eftersom det kan penetrera mänsklig vävnad djupare än vad synligt ljus kan.
UC Davis-teamet löste detta problem genom att texturera ytan på kiseldetektorerna med fotonfångande ytstrukturer. Deras chip täcker ett brett spektralområde från 300 nm till 1100 nm, jämförbart med ett sandkorn i storlek. De strukturerade ytorna sprider NIR-fotoner upprepade gånger inuti kiselskiktet, vilket ökar chansen att materialet absorberar dem.
Mätning av ultrasnabba ljushändelser
Förutom att mäta färg kan detta chip också spåra hur länge fotoner överlever inuti ett material. Detta chip innehåller höghastighetssensorer som mäter fotons livslängd med stor precision. Denna förmåga låter deras enhet upptäcka ultrasnabba interaktioner mellan ljus och materia som traditionella spektrometrar ofta missar.
Vilka uppgifter använder forskare detta chip till?
Miniatyrdesignen öppnar upp för många praktiska tillämpningar.
Medicin: Läkare kan använda små, bärbara enheter för att diagnostisera sjukdomar vid vårdplatsen. En bärbar monitor med detta chip kan spåra en patients blodkemi genom huden i realtid.
Livsmedelssäkerhet: Denna teknik kan bedöma hälsan hos grödor på ett fält eller mäta jordkvaliteten. Konsumenter eller livsmedelsproducenter kan skanna produkter för att kontrollera färskhet eller upptäcka föroreningar utan att skicka prover till ett laboratorium.
Miljö: Forskare har också utvecklat kompakta hyperspektrala spektrometer-på-chip-system för jordobservation, vilket möjliggör exakt analys av växt- och markförhållanden. Ett så litet chip kan passa in i drönare eller satelliter för miljöövervakning i stort område.
Vardagliga enheter: ”Vi banar väg för en framtid där din klocka eller telefon inte bara tar bilder utan analyserar den kemiska världen omkring dig,” sa UC Davis-teamet.
Kombinationen av AI och miniatyriserad hårdvara är nyckelinsikten bakom detta framsteg. Chipet behöver inte skrymmande optiska komponenter eftersom det neurala nätverket gör det beräkningsarbete som optiken brukade göra fysiskt. Denna förändring i tillvägagångssätt – från hårdvaru-separering till återuppbyggnad av programvara – kan definiera nästa generation av avkänningsenheter.