Nowy miniaturowy spektrometr łączy w sobie najnowocześniejszą technologię z przystępną ceną, oferując wysoką precyzję w takich dziedzinach, jak astronomia i diagnostyka zdrowia.
Urządzenie to zapewnia częstsze stosowanie złożonej analizy widmowej poprzez zmniejszenie rozmiaru i kosztów, bez utraty wydajności.
Spektrometry, narzędzia do analizy światła, istnieją od czasów XVII-wiecznego fizyka Izaaka Newtona. Działają poprzez podział fal świetlnych na różne kolory, czyli widma, w celu ujawnienia szczegółów dotyczących składu badanych obiektów.
Na Uniwersytecie Kalifornijskim w Santa Cruz naukowcy opracowują ultramałe, ale potężne spektrometry do szerokiego zakresu zastosowań, od wykrywania chorób po badanie odległych galaktyk. Urządzenia te są nie tylko kompaktowe, ale także niedrogie w produkcji, dzięki czemu są dostępne i można je dostosować do konkretnych potrzeb.
Minispektrometry o wysokiej wydajności
Interdyscyplinarny zespół badawczy, kierowany przez profesorów z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz, Holgera Schmidta (inżynieria elektryczna i komputerowa) oraz Kevina Bundy’ego (astronomia i astrofizyka), opublikował niedawno swoje odkrycia w czasopiśmie Fotonika APLwiodące czasopismo w tej dziedzinie.
Naukowcy zaprezentowali nowatorski, niezwykle wydajny spektrometr, który może mierzyć światło z rozdzielczością długości fali 0,05 nanometra. To około 1,6 miliona razy mniej niż szerokość ludzkiego włosa i taką samą rozdzielczość, jaką można uzyskać na urządzeniu 1000 razy większym.
„To w zasadzie tyle samo, co duży, standardowy i drogi spektrometr” – powiedział Schmidt, starszy autor artykułu i wieloletni ekspert w dziedzinie opracowywania chipów do detekcji światła. „To naprawdę imponujące i bardzo konkurencyjne”.
Zalety miniaturyzacji
Miniaturyzacja spektrometrów jest aktywnym obszarem badań, ponieważ spektrometry są wykorzystywane w wielu dziedzinach, ale mogą być tak duże jak trzypiętrowy budynek i niezwykle drogie. Jednak zminiaturyzowane spektrometry często nie działają tak dobrze, jak większe instrumenty lub są bardzo trudne i kosztowne w produkcji, ponieważ wymagają niezwykle precyzyjnej nanofabrykacji.
Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz stworzyli urządzenie, które może osiągnąć wysoką wydajność bez tak kosztownej produkcji. Ich urządzeniem jest miniaturowy falowód o dużej mocy, który jest zamontowany na chipie i służy do kierowania światła według określonego wzoru, w zależności od jego koloru.
Informacje z chipa są wprowadzane do uczenie maszynowe algorytm, który odczytuje wzory utworzone przez różne długości fal światła w celu zrekonstruowania obrazu z wyjątkowo dużą częstotliwością dokładność i precyzja — podejście to nazywa się spektrometrią „rekonstrukcyjną”.
Technika ta zapewnia dokładne wyniki, ponieważ algorytmy uczenia maszynowego nie wymagają bardzo precyzyjnych danych wejściowych, aby móc rozróżnić wzorce świetlne, i mogą stale poprawiać swoją wydajność i optymalizować się pod kątem sprzętu.
Z tego powodu badacze mogą wytwarzać chipy przy użyciu stosunkowo łatwych i niedrogich technik produkcyjnych, a proces zajmuje godziny, a nie tygodnie. Lekkie, kompaktowe chipy na potrzeby tego projektu zostały zaprojektowane na Uniwersytecie Kalifornijskim w Kaliforni, a następnie wyprodukowane i zoptymalizowane na Uniwersytecie Brighama Younga we współpracy z wieloletnim współpracownikiem Schmidta, profesorem Aaronem Hawkinsem, i jego studentami.
„W porównaniu z bardziej wyrafinowanymi konstrukcjami chipów wymaga to tylko jednej maski fotolitograficznej, co znacznie ułatwia i przyspiesza produkcję” – powiedział Hawkins. „Ktoś z podstawowymi możliwościami mógłby to odtworzyć i stworzyć podobne urządzenie dostosowane do własnych potrzeb”.
Zastosowania astronomiczne
Naukowcy przewidują, że technologię tę można wykorzystać w szerokim zakresie zastosowań, chociaż ich wstępnym celem jest stworzenie potężnych instrumentów do badań astronomicznych. Ponieważ ich urządzenia są stosunkowo niedrogie, astronomowie mogliby je specjalizować pod kątem swoich konkretnych zainteresowań badawczych, co jest praktycznie niemożliwe w przypadku znacznie większych instrumentów kosztujących miliony dolarów.
Zespół badawczy pracuje nad funkcjonalnością chipów w teleskopie Lick Observatory działającym na Uniwersytecie Kalifornijskim, aby najpierw zbierały światło gwiazd, a później badały inne zdarzenia astrologiczne. Dzięki tak dużej dokładności tych urządzeń astronomowie mogliby zacząć rozumieć takie zjawiska, jak skład atmosfer egzoplanet czy badanie natury ciemnej materii w słabych galaktykach karłowatych. Stosunkowo niski koszt tych urządzeń ułatwiłby naukowcom optymalizację ich pod kątem konkretnych zainteresowań badawczych, co jest prawie niemożliwe w przypadku tradycyjnych urządzeń.
Wykorzystując długoletnią wiedzę specjalistyczną z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz w zakresie systemów optyki adaptacyjnej dla astronomii, naukowcy współpracują, aby znaleźć najlepszy sposób uchwycenia słabych przebłysków światła odległych gwiazd i galaktyk i wprowadzenia ich do zminiaturyzowanego spektrometru.
„W astronomii, gdy próbujesz umieścić coś na teleskopie i przepuścić przez niego światło, zawsze odkrywasz nowe wyzwania — jest to znacznie trudniejsze niż robienie tego w laboratorium. Piękno tej współpracy polega na tym, że faktycznie mamy teleskop i możemy spróbować rozmieścić te urządzenia na teleskopie z dobrym systemem optyki adaptacyjnej” – powiedział Bundy.
Potencjał w naukach o zdrowiu i środowisku
Oprócz astronomii zespół badawczy pokazuje w tym artykule, że narzędzie to umożliwia wykrywanie fluorescencji, czyli nieinwazyjnej techniki obrazowania stosowanej w wielu zastosowaniach medycznych, takich jak badania przesiewowe w kierunku raka i wykrywanie chorób zakaźnych.
W przyszłości planują rozwój technologii analizy rozpraszania Ramana. Jest to technika wykorzystująca rozpraszanie światła do wykrywania dowolnej unikalnej cząsteczki, często wykorzystywana jako specjalistyczny test w poszukiwaniu konkretnej substancji chemicznej, np. obecności narkotyków w organizmie człowieka lub toksycznych substancji zanieczyszczających środowisko. Ponieważ system jest tak prosty i nie wymaga użycia ciężkiego oprzyrządowania ani płynów, jak inne techniki, byłby wygodny i solidny do stosowania w terenie.
Przyszłe kierunki i ulepszenia
Naukowcy wykazali również, że kompaktowe falowody można umieścić obok siebie, aby zwiększyć wydajność systemu, ponieważ każdy chip może mierzyć inne widma i dostarczać więcej informacji na temat obserwowanego światła. W artykule naukowcy demonstrują moc czterech współpracujących ze sobą falowodów, ale Schmidt przewiduje, że można zastosować setki chipów jednocześnie.
To pierwsze urządzenie, które potrafi w ten sposób wykorzystywać wiele chipów jednocześnie. Naukowcy będą nadal pracować nad poprawą czułości urządzenia, aby uzyskać jeszcze wyższą rozdzielczość widmową.
Odniesienie: „Wielomodowy spektrometr interferencyjny w skali chipowej (zaproszony)”: Md Nafiz Amin, Vahid Ganjalizadeh, Tyler J. Adams; Porter B. Dixon, Zoe Weber, Matthew DeMartino, Kevin Bundy, Aaron R. Hawkins i Holger Schmidt, 4 października 2024 r., Fotonika APL.
DOI: 10.1063/5.0222100
