2019-09-11 19:32:30新京报 记者:王俊 编辑:陈思
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“最小光谱仪”问世,手机扫扫可知食品鲜度药品成分

2019-09-11 19:32:30新京报 记者:王俊

可应用于日常生活,检测空气污染、食品卫生、人体健康状况等。

新京报讯(记者 王俊)近日,一款大小仅为市面上最小光谱仪千分之一的微型光谱仪问世。据介绍,微型光谱仪未来可集成到手机,通过手机扫一扫可检测食物新鲜度、食品药品成分,甚至还可以进行艺术品鉴定。该科研成果由中国、英国、芬兰等国科研工作者合作完成,近日发表于美国《科学》杂志。

 

光谱测量有什么用途?

了解星系活动,检测空气污染、食品卫生等

 

17世纪,牛顿发现太阳光通过棱镜的折射后观察到彩色,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。

 

光谱测量对生产生活有重要意义。通过光谱测量,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。

 

论文的共同作者之一、上海理工大学副教授谷付星解释,我们接受外界信息可以通过眼睛、耳朵、鼻子、手脚、皮肤触觉等获得,其中大部分信息是通过眼睛获得的。但我们的眼睛只能看到物体的色彩,不能分辨成分。

 

“比如外观颜色味道一样的牛奶,肉眼观察是不能区别的,比较有效的方式是对牛奶里的有效成分进行光谱分析。”他告诉记者,“每个物质都有相应的光谱信号,如水、乙醇、糖的吸收光谱、荧光光谱、拉曼光谱都不一样。据此可以确定牛奶的成分,看看糖分高低、含水量多少、是否含有三聚氰胺等。”

 

如何让光谱仪变得更小?

使用纳米线摆脱光散元件的体积限制

 

论文的第一作者、剑桥大学石墨烯中心博士后杨宗银表示,目前大部分光谱仪的工作原理仍和牛顿的实验相似,需要分光元件对入射光线进行分光,后方放置一个光探测器阵列测量谱线强度。

 

他解释,这种光谱仪体积庞大,已无法满足光谱应用技术的需求。但减小分光和探测元件的尺寸将导致光谱分辨率、灵敏度及动态检测范围显著下降。

 

制造微型化的光谱仪,关键在于光谱仪核心器件的突破。

 

“光谱仪的微型化是科技界面临的一项技术挑战。”杨宗银说,他与合作团队另辟蹊径,用纳米技术制作出了尺寸仅几十微米的光谱仪,大小仅为市面上最小光谱仪的千分之一。

 

“普通光谱仪都包含色散元件,但是我们这项工作突破了这个要求,使用的是单根纳米线实现颜色分辨。”杨宗银说。

 

纳米技术的运用,极大地减小了光谱仪的体积。谷付星告诉记者,常规光谱仪由于需要色散元件,所以需要基本的长度空间。“我们直接使用纳米线,没有色散元件,就可以使光谱仪体积大大缩小。”

 

何时能应用于日常生活?

五年时间使其广泛应用到生产生活

 

该光谱仪体积小的特点在应用上有不少优势。

 

据介绍,该微型光谱仪与手机摄像系统兼容的话,可设计成紧凑式光谱仪模块,使手机具备光谱探测能力,把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日常生活。

 

不过杨宗银坦言,应用于食药领域需要大量食品、药品的光谱数据库,与手机的结合需要设计智能的操作界面,否则大众很难自行处理光谱数据。

 

杨宗银还设想这一技术在医学上的应用,“用微型光谱仪对单个细胞进行扫描光谱成像,可以让图像中的每个像素包含丰富的光谱信息,从而分析细胞每个部分的化学变化。”

 

他认为,通过后续的开发该微型光谱仪有望通过注射植入人体,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。

 

记者了解到,目前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,用大概五年时间使微光谱仪广泛应用到科研、生产和生活中。

 

新京报记者 王俊

编辑 陈思 刘军

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