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清華大學研究小組:專業化學檢測有望走進生活

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摘要:用手機拍一下就能鑒定一杯牛奶是否變質、今天的空氣質量如何,掃一下就能進行無損的紅酒品質鑒定,甚至自拍就能知道身體是否健康……如此強大的功能已遠遠超出了傳統意義上“拍照”的范疇,但在微型光譜儀的幫助下,它們將有望成為現實。   清華教授在《自然》發表文章,展示微型光譜儀制作新方法

  專業化學檢測有望走進生活

  未來可通過手機檢測身體狀況

  用手機拍一下就能鑒定一杯牛奶是否變質、今天的空氣質量如何,掃一下就能進行無損的紅酒品質鑒定,甚至自拍就能知道身體是否健康……如此強大的功能已遠遠超出了傳統意義上“拍照”的范疇,但在微型光譜儀的幫助下,它們將有望成為現實。

  近日,清華大學電子工程系教授鮑捷領銜的研究小組首次利用量子點納米材料陣列,成功研制出高性能微型“量子點光譜儀”。7月2日出版的《自然》雜志刊登了這項研究成果。該研究不僅革新了光譜儀的制作原理,還拓展了光譜儀的應用前景,成果有望貫通創新鏈和產業鏈。

  作為一種能夠抓取物質光信息和分辨不同顏色(波長)光波強度的分析儀器,光譜儀被非常廣泛地應用在諸如天文、生物、化學、醫學、環境學等多領域。但這類設備通常造價昂貴、體積過大且難以移動,往往只能被安置在實驗室中?茖W家一直致力于讓光譜儀小型化、成本低廉且易于使用,以增加其使用范圍,卻一直不是很成功。

  “目前大多數微型光譜儀仍利用光的干涉原理,用光柵將復雜的光分解為光譜線。這限制了光譜儀的效率、體積的減小,以及分辨率和光譜范圍等性能的協同提升等。”鮑捷介紹,從2012年起,他開始嘗試研發基于量子點的新型光譜儀,利用當前最熱門的納米材料之一——量子點的溶液進行特殊加工,研發出只有手機攝像頭大小的微型光譜儀芯片;同時,對光譜儀的結構、算法進行了重新定義和設計,利用195種膠體量子點納米材料和一個普通數碼相機所用的圖像傳感器制成了新型微型光譜儀,能夠同時測量多個光譜波段、小到1納米的光譜位移。

  這也是國際上首次將膠體量子點納米材料用于制作微型光譜儀的報道,為制作高性能、低造價、體積小于智能手機攝像頭的微型光譜儀鋪平了道路——新型光譜儀在分辨率、適用范圍和效率方面與現有設備性能相當,核心部件成本縮減到以前的萬分之一,將原本幾萬美元的成本降至幾美元,甚至控制在一美元以內。

  對此,同期《自然》雜志發表專題編輯部評論,強調“科學家們描述了一個小巧且功能強大的光譜儀,并且可能以低廉的造價進入消費者電子產品,推進了光譜儀的進一步發展”。

  未來,這一成果將在包括太空探索、個性化醫療、微流控芯片實驗室診斷平臺等領域投入應用。而與普通民眾生活最息息相關的是,在現有條件下,這種最小能達到約1立方毫米的微型光譜儀可以讓以往“高大上”的專業化學檢測走向日常生活。

  “植入智能手機后,通過攝像頭便可進行食品藥品、個人健康、環境污染等檢測。它可以附于體表,甚至可能植入人體內,進行各項健康指標的檢測。”鮑捷說。

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