棱镜与光栅分光原理分析(世界最小光谱仪问世——纳米技术颠覆牛顿的棱镜)

Posted 2023-05-30

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棱镜与光栅分光原理分析(世界最小光谱仪问世——纳米技术颠覆牛顿的棱镜)

第一作者：杨宗银博士，Tom Albrow-Owen通讯作者：Tawfique HasanDOI: 10.1126/science.aax8814

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本文报道了世界最小的光谱仪，该光谱仪主要由一根比人类头发千分之一还细的半导体纳米线组成。它可被集成到手机上，只要用手机一扫就可以检测出食物的新鲜度，食品药品的成分，还可用于艺术品的鉴定。该研究工作于9月6日发表在世界顶级杂志《Science》上。

背景介绍

在17世纪，牛顿发现太阳光通过棱镜的折射后可观察到彩色。牛顿的这个色散实验为光谱仪的诞生播下了种子。光谱仪可以检测光谱中不同谱线强度，比如可以测出阳光的七彩色中每种颜色光的亮度。通过对光谱的测量，可以帮助人们获知大到几百万光年外的星系活动，小到纳米尺度的分子结构。还可以用来分析物体中的化学成分，从而用作对空气污染、食品卫生、农作物生长、人体健康状况的检测工具，在科研和工业生产中仍扮演着极为重要的角色。然而，目前大部分光谱仪的工作原理仍和牛顿的实验相似，需要用到棱镜或光栅之类的分光元件。这种光谱仪体积庞大已无法满足日益发展的光谱应用技术的需求。但是减小分光和探测元件的尺寸将导致光谱仪的光谱分辨率、灵敏度及动态检测范围显著下降，因此光谱仪的微型化是目前科技界面临的重大技术挑战。

本文亮点

在牛顿实验四百多年后的今天，英国剑桥大学的科研团队与来自中国、英国以及芬兰的研究机构合作，成功克服了这个技术难题，开发出了尺寸仅几十微米的光谱仪。其大小仅为市面上最小光谱仪的千分之一。他们另辟蹊径，用一种带隙渐变的特殊纳米线替代了传统光谱仪中的分光和探测元件，采用和制作电脑芯片类似的工艺在这种纳米线上加工出了光探测器阵列，巧妙地利用各个探测器对不同颜色光具有不同响应的特性，通过逆问题的求解，从响应函数方程组中重构出所需要测量的光谱信息。

论文的第一作者，剑桥大学石墨烯中心的中国留学生杨宗银博士介绍说：“我们沿长度方向对纳米线的组分进行了调控，得到的纳米线在荧光显微镜下观察就像一道彩虹，很容易让人联想到牛顿三棱镜实验中的七彩色，沿着这个思路我们开始探索用纳米线替代三棱镜，这样可以把传统光学器件的尺寸缩小到纳米尺度，使这些器件在可穿戴设备等新兴领域中找到应用”。“我们平时用相机拍照的时候，每个像素点只包含了红、绿、蓝三种颜色信息，而这种光谱仪可以让每个像素点记录下几十或者上百种谱线强度，这样就可以获取到除了色彩之外的其他有用信息，比如通过测量火焰的光可以告诉我们里面发生了哪些化学反应”，论文的共同作者Tom Albrow-Owen博士补充道。“我们的微型光谱仪与广泛使用的手机摄像系统具有良好的兼容性，可设计成紧凑式光谱仪模块使手机具备光谱探测能力，把强大的光谱分析技术从实验室搬到手掌上，方便在生活中测量食物、皮肤的光谱信息，从而判断食品安全以及身体健康程度，使得光谱检测技术有望走进大众日常生活中”，团队的负责人Tawfique Hasan博士说道。

由于极小的尺寸，他们还展示了用该微型光谱仪对单个细胞进行扫描光谱成像。不同与以往的细胞成像技术，该光谱成像可以让图像中的每个像素包含丰富的光谱信息，从而可以分析细胞每个部分的化学变化。通过后续的开发这种微型光谱仪将有望可以通过注射植入到人体，用于实时监测人体健康状况，为癌症等疾病检测提供一种新的方法。该工作由来自中国、英国和芬兰的多个研究组合作完成：上海理工大学的谷付星副教授，浙江大学的童利民教授、杨青教授和王攀教授，南京大学的王肖沐教授，上海交通大学的蔡伟伟教授，北京大学的戴伦教授，以及芬兰Aalto大学的孙志培教授。剑桥的研究团队已经在申请这个微型光谱仪的专利。他们希望在这种光谱仪的基础上开发出一系列覆盖紫外到红外的微型光谱仪，用大概五年左右的时间使微光谱仪广泛应用到科研、生产以及生活中。
文章链接：https://science.sciencemag.org/content/365/6457/1017（点击文末｢阅读原文｣直达原文阅读）