Написано AZoNano 17 сентября 2019 [19459][19459

Ученые разработали ультра-миниатюрное устройство, которое могло бы напрямую отображать отдельные клетки без необходимости микроскопа или делать химический анализ отпечатков пальцев с помощью смартфона.

Устройство, изготовленное из одной нанопроволоки, в 1000 раз тоньше человеческого волоса, является самым маленьким из когда-либо созданных спектрометров. Его можно использовать в потенциальных приложениях, таких как оценка свежести продуктов, качества лекарств или даже выявление контрафактных предметов, с помощью камеры смартфона. Подробности сообщаются в журнале Science .

В 17-м веке Исаак Ньютон, благодаря своим наблюдениям о расщеплении света призмой, посеял семена для новой области науки, изучающей взаимодействия света и вещества – спектроскопию. Сегодня оптические спектрометры являются важным инструментом в промышленности и практически во всех областях научных исследований. Анализируя характеристики света, спектрометры могут рассказать нам о процессах в галактических туманностях, находящихся за миллионы световых лет, вплоть до характеристик белковых молекул.

Однако, даже сейчас большинство спектрометров основаны на принципах, аналогичных тем, которые Ньютон продемонстрировал с помощью своей призмы: пространственное разделение света на различные спектральные компоненты. Такая основа принципиально ограничивает размеры спектрометров в отношении: они обычно громоздки и сложны, и их трудно уменьшить до размеров, намного меньших, чем монета. Спустя четыреста лет после Ньютона исследователи из Кембриджского университета преодолели эту проблему, чтобы создать систему, в тысячу раз меньшую, чем те, о которых сообщалось ранее.

Кембриджская команда, работая с коллегами из Великобритании, Китая и Финляндии, использовала нанопроволоки, чей состав материала варьируется по длине, что позволяет ему реагировать на различные цвета света в видимом спектре. Используя методы, аналогичные тем, которые использовались для изготовления компьютерных чипов, они затем создали серию светочувствительных участков на этой нанопроволоке.

«Мы разработали нанопровод, который позволяет нам избавиться от дисперсионных элементов, таких как призма, создавая гораздо более простую, ультра миниатюризированную систему, чем обычные спектрометры», – сказал первый автор Zongyin Yang из Кембриджского графенового центра. «Индивидуальные ответы, которые мы получаем из участков нанопроволоки, могут затем напрямую вводиться в компьютерный алгоритм для восстановления спектра падающего света».

«Когда вы фотографируете, информация, хранящаяся в пикселях, обычно ограничена только тремя компонентами – красным, зеленым и синим», сказал соавтор Том Том Олброу-Оуэн. «На нашем устройстве каждый пиксель содержит точки данных по всему видимому спектру, поэтому мы можем получать подробную информацию далеко за пределами цветов, которые могут воспринимать наши глаза. Это может рассказать нам, например, о химических процессах, происходящих в кадре изображения. "

«Наш подход мог бы позволить беспрецедентную миниатюризацию спектроскопических устройств в такой степени, чтобы они могли быть встроены непосредственно в смартфоны, что привело к тому, что мощные аналитические технологии из лаборатории оказались у нас на ладони», сказал доктор Тауфик Хасан, который руководил исследованием.

Одним из наиболее многообещающих потенциальных применений нанопроволоки может быть биология. Поскольку устройство очень маленькое, оно может напрямую отображать отдельные клетки без использования микроскопа. И в отличие от других методов биоизображения, информация, полученная на спектрометре с нанопроволоками, содержит подробный анализ химического отпечатка каждого пикселя.

Исследователи надеются, что созданная ими платформа может привести к созданию совершенно нового поколения ультракомпактных спектрометров, работающих от ультрафиолета до инфракрасного диапазона. Такие технологии могут быть использованы для широкого круга потребительских, исследовательских и промышленных применений, в том числе в системах «лаборатория на кристалле», биологические имплантаты и интеллектуальные носимые устройства.

Команда из Кембриджа подала патент на технологию и надеется увидеть реальные приложения в течение следующих пяти лет.

Источник: https://phys.org/