Naukowcy stworzyli chip spektrometru, który zmieści się na ziarnku piasku.
Czym jest spektrometr?
Spektrometr to przyrząd naukowy, który analizuje materiały przez badanie, jak wchodzą w interakcję ze światłem. Gdy źródło światła pada na substancję, ta substancja pochłania część tego światła i emituje charakterystyczne widmo. Naukowcy mogą badać to widmo, aby zidentyfikować skład chemiczny tej substancji.
Analiza spektralna może diagnostykować choroby, oceniać zdrowie plonów na polu lub mierzyć jakość gleby. Tradycyjne spektrometry dzielą światło na tęczę kolorów przy użyciu pryzmatu lub siatki dyfrakcyjnej, a następnie mierzą jasność każdego koloru. Ponieważ światło musi przebyć pewną odległość, aby się odpowiednio rozdzielić, tradycyjne instrumenty spektrometryczne mają tendencję do bycia dużymi i drogimi.
Czym jest chip spektrometru i jak działa?
Chip spektrometru to miniaturowa wersja tradycyjnego spektrometru. Inżynierowie budują wszystkie komponenty detekcji światła bezpośrednio na malutkim kawałku krzemu. Ten chip wykonuje tę samą podstawową funkcję co pełnowymiarowy instrument laboratoryjny — identyfikuje skład chemiczny materiału poprzez analizę światła — ale robi to bez żadnych dużych części optycznych.
Tradycyjny spektrometr rozprasza światło na widmo fizycznie, używając szklanego pryzmatu lub siatki dyfrakcyjnej. Chip spektrometru przyjmuje inne podejście. Zamiast fizycznie oddzielać światło, ten chip wykorzystuje zbiór małych fotodetektorów. Każdy detektor reaguje na nieco inny zakres długości fal. Każdy piksel w matrycy czujnika selektywnie odbiera światło i generuje sygnały spektralnie filtrowane, do których może uzyskać dostęp kontroler.
Sygnały z detektorów są kodowane i nakładają się na siebie – żaden pojedynczy detektor nie daje czystego odczytu jednego koloru. Jednostka przetwarzająca – często zasilana uczeniem maszynowym – następnie analizuje wszystkie sygnały razem i rekonstruuje pełne widmo w sposób obliczeniowy. To podejście zastępuje fizyczną pracę pryzmatu matematycznym obliczeniem.
Wynikiem jest urządzenie, które może zmieścić się na opuszkach palców, a jednocześnie identyfikować chemikalia, wykrywać markery chorób lub oceniać jakość żywności, analizując światło odbite lub przechodzące.
Pompowanie do mniejszych rozmiarów spektrometrów
Od lat naukowcy pracują nad zmniejszaniem rozmiarów spektrometrów. Redukcja wielkości zmieniła się z urządzeń laboratoryjnych o powierzchni 200 cm² do przenośnych mikrospektrometrów o powierzchni 40 mm². Każdy krok w dół w rozmiarze przyniósł również spadek kosztów, co uczyniło tę technologię bardziej dostępną.
Jedna z grup badawczych na Uniwersytecie Michigan opracowała miniaturowy, cienkowarstwowy spektrometr o powierzchni zaledwie 0,16 mm², który może wytrzymać trudne warunki. Naukowcy zaprojektowali to urządzenie do analizy potu sportowca za pomocą noszonego plastra na skórze. Te działania pokazały, że mniejsze spektrometry są możliwe, ale badacze chcieli pójść jeszcze dalej.
Nowy mały chip z UC Davis
Obecnie naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis (UC Davis) zbudowali chip spektrometru, który zbliża się do rozmiaru ziarnka piasku. Ten chip mierzy mniej niż połowę milimetra kwadratowego. Zespół kierowany przez profesora Saifa Islama opublikował wyniki w czasopiśmie Advanced Photonics.
„Chcieliśmy przenieść tę moc z laboratorium do twojej kieszeni,” powiedział naukowiec po doktoracie, Ahasan Ahamed, pierwszy autor publikacji.
Jak działa chip UC Davis
Chip UC Davis nie używa pryzmatu ani siatki do rozdzielenia światła. Zamiast tego opiera się na małym zestawie czujników połączonych z sztuczną inteligencją (AI).
Ten chip wykorzystuje szesnaście fotodetektorów z krzemu, z których każdy jest czuły na inną długość fali światła. Każdy fotodetektor rejestruje tylko część informacji spektralnych. Razem szesnaście fotodetektorów zbiera wystarczająco dużo danych, aby sieć neuronowa mogła rekonstruować pełne widmo światła.
Pomyślcie o tych szesnastu fotodetektorach jak o grupie degustatorów, którzy próbują skomplikowanego dania. Żaden pojedynczy degustator nie zidentyfikuje każdego składnika, ale razem dają wystarczająco dużo informacji, aby wykwalifikowany ekspert nazwał przepis. AI odgrywa rolę tego eksperta.
Chip wzbogacony AI może utrzymać klarowność sygnałów nawet w obecności znacznych zakłóceń elektrycznych – poważnego wyzwania w przenośnej, niskokosztowej elektronice.
Rozszerzenie czułości na podczerwień
Kluczowym wyzwaniem technicznym było rozszerzenie czułości chipa poza światło widzialne. Czujniki krzemowe dobrze działają na długościach fal widzialnych, ale zazwyczaj mają trudności z wykrywaniem światła bliskiej podczerwieni (NIR) – długości fal do 1100 nm. Światło NIR ma znaczenie w zastosowaniach medycznych, ponieważ może penetrować tkanki ludzkie głębiej niż światło widzialne.
Zespół UC Davis rozwiązał ten problem, teksturując powierzchnię detektorów krzemowych strukturami chwytającymi fotony. Ich chip pokrywa szeroki zakres spektralny od 300 nm do 1100 nm, porównywalny z ziarnkiem piasku pod względem wielkości. Teksturowane powierzchnie wielokrotnie rozpraszają fotony NIR wewnątrz warstwy krzemu, zwiększając szansę na to, że materiał je pochłonie.
Pomiar ultrakrótkich zdarzeń świetlnych
Oprócz pomiaru koloru, ten chip może również śledzić, jak długo fotony przetrwają wewnątrz materiału. Chip ten zawiera czujniki wysokiej szybkości, które mierzą czas życia fotonów z dużą precyzją. Ta zdolność pozwala ich urządzeniu wykrywać ultrakrótkie interakcje między światłem a materią, które tradycyjne spektrometry często pomijają.
Jakie zadania naukowcy wykonują z tym chipem?
Miniaturowy design otwiera wiele praktycznych zastosowań.
Medycyna: Lekarze mogliby używać małych, przenośnych urządzeń do diagnozowania chorób w miejscu opieki. Noszony monitor z tym chipem mógłby śledzić chemię krwi pacjenta przez skórę w czasie rzeczywistym.
Bezpieczeństwo żywności: Ta technologia mogłaby oceniać zdrowie plonów na polu lub mierzyć jakość gleby. Konsumenci lub producenci żywności mogliby skanować produkty, aby sprawdzić świeżość lub wykryć zanieczyszczenia bez wysyłania próbek do laboratorium.
Środowisko: Naukowcy opracowali również kompaktowe systemy hyperspektralne spektrometru na chipie do obserwacji Ziemi, umożliwiające precyzyjną analizę warunków roślinnych i glebowych. Chip tej wielkości mógłby zmieścić się w dronach lub satelitach do szerokozasięgowego monitorowania środowiska.
Urządzenia codziennego użytku: „Torujemy drogę do przyszłości, w której twój zegarek lub telefon nie tylko robi zdjęcia, ale analizuje chemiczny świat wokół ciebie,” stwierdził zespół z UC Davis.
Połączenie AI i miniaturowego sprzętu to kluczowa koncepcja tego rozwoju. Chip nie potrzebuje dużych komponentów optycznych, ponieważ sieć neuronowa wykonuje obliczeniową pracę, którą wcześniej robiła optyka fizycznie. To przesunięcie w podejściu — z rozdzielenia sprzętowego na rekonstrukcję programową — może zdefiniować przyszłą generację urządzeń sensingowych.
