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专业化学检测希望走进生计 改日可通过手机检测

日期:2019-11-23 19:16 来源: 聚合物

  用手机拍一下就能鉴定一杯牛奶是否变质、今天的空气质量如何,扫一下就能进行无损的红酒品质鉴定,甚至自拍就能知道身体是否健康……如此强大的功能已远远超出了传统意义上“拍照”的范畴,但在微型光谱仪的帮助下,它们将有望成为现实。

  近日,清华大学电子工程系教授鲍捷领衔的研究小组首次利用量子点纳米材料阵列,成功研制出高性能微型“量子点光谱仪”。7月2日出版的《自然》杂志刊登了这项研究成果。该研究不仅革新了光谱仪的制作原理,还拓展了光谱仪的应用前景,成果有望贯通创新链和产业链。作为一种能够抓取物质光信息和分辨不同颜色(波长)光波强度的分析仪器,光谱仪被非常广泛地应用在诸如天文、生物、化学、医学、环境学等多领域。但这类设备通常造价昂贵、体积过大且难以移动,往往只能被安置在实验室中。科学家一直致力于让光谱仪小型化、成本低廉且易于使用,以增加其使用范围,却一直不是很成功。

  “目前大多数微型光谱仪仍利用光的干涉原理,用光栅将复杂的光分解为光谱线。这限制了光谱仪的效率、体积的减小,以及分辨率和光谱范围等性能的协同提升等。”鲍捷介绍,从2012年起,他开始尝试研发基于量子点的新型光谱仪,利用当前最热门的纳米材料之一——量子点的溶液进行特殊加工,研发出只有手机摄像头大小的微型光谱仪芯片;同时,对光谱仪的结构、算法进行了重新定义和设计,利用195种胶体量子点纳米材料和一个普通数码相机所用的图像传感器制成了新型微型光谱仪,能够同时测量多个光谱波段、小到1纳米的光谱位移。

  这也是国际上首次将胶体量子点纳米材料用于制作微型光谱仪的报道,为制作高性能、低造价、体积小于智能手机摄像头的微型光谱仪铺平了道路——新型光谱仪在分辨率、适用范围和效率方面与现有设备性能相当,核心部件成本缩减到以前的万分之一,将原本几万美元的成本降至几美元,甚至控制在一美元以内。

  对此,同期《自然》杂志发表专题编辑部评论,强调“科学家们描述了一个小巧且功能强大的光谱仪,并且可能以低廉的造价进入消费者电子产品,推进了光谱仪的进一步发展”。

  未来,这一成果将在包括太空探索、个性化医疗、微流控芯片实验室诊断平台等领域投入应用。而与普通民众生活最息息相关的是,在现有条件下,这种最小能达到约1立方毫米的微型光谱仪可以让以往“高大上”的专业化学检测走向日常生活。

  “植入智能手机后,通过摄像头便可进行食品药品、个人健康、环境污染等检测。它可以附于体表,甚至可能植入人体内,进行各项健康指标的检测。”鲍捷说。

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