世界最小光谱仪问世 手机一扫可检测出食物新鲜度和食品药品成分

       美国《科学》杂志近日发表了一项科研成果——由一根比人类头发千分之一还细的半导体纳米线组成的微型光谱仪。据介绍，该光谱仪大小仅为市面上最小光谱仪的千分之一，可被集成到手机上，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。


“该光谱仪的最大优势是体积小容易携带，成本低容易推广，所以非常适合终端消费者使用，比如把它集成到手机上，可以随时随地对食品药品进行检测，这样可以减轻监管部门的压力，也让大众更加放心消费。”论文的第一作者、剑桥大学石墨烯中心博士后杨宗银接受中国质量报记者采访时说道。


据悉，这一科研成果由中国、英国、芬兰等国科研工作者合作完成。来自上海理工大学、浙江大学、南京大学、上海交通大学、北京大学等国内高校的众多科研工作者都参与其中。


据介绍，光谱仪可以检测光谱中不同谱线强度，通过对光谱的测量，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扮演着极为重要的角色。


“光谱仪的微型化是目前科技界面临的一项技术挑战。”杨宗银透露，目前大部分光谱仪仍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。


杨宗银和合作团队另辟蹊径，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。他们利用各个探测器对不同颜色光具有不同响应的特性，通过逆向求解，从响应函数方程组中重构出所需要测量的光谱信息。“我们沿长度方向对纳米线的组分进行了调控，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。”他说。


上海理工大学副教授、博士生导师谷付星是论文的共同作者之一。他和杨宗银在浙江大学求学期间，已经发明了在单根纳米线上调控带隙的技术，“普通光谱仪都包含色散原件，这是很核心的器件，我们研发取得突破后，使用单根纳米线就可以实现颜色分辨”。


谷付星说，每个物质都会有相应的光谱信号，如水、乙醇、糖吸收光谱、荧光、拉曼光谱的特性都不一样，据此可以确定牛奶的成分，分辨糖分高低、含水量多少以及是否含有三聚氰胺等。


据了解，目前研究团队已经在申请该微型光谱仪的专利。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5年左右的时间使微型光谱仪广泛应用到科研、生产以及生活中。


“我们研发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。”杨宗银说，该技术目前应用于食药领域的瓶颈之一是缺乏大量的光谱数据库，“这需要很长的时间来积累和实现。”他说。