微型光譜儀：將為智能手機帶來一系列新應用！

導讀

荷蘭埃因霍芬理工大學開發一種新型光譜儀，尺寸足夠小，可以簡易並廉價地嵌入到智能手機中，用於檢測空氣質量、食物新鮮程度、腫塊是否是惡性腫瘤。

背景

智能手機，已經成為許多人生活中不可或缺的電子產品。然而通過不斷的科技創新，科研人員為智能手機增加了一系列獨特的功能，例如：檢測腦震蕩、檢測血糖、檢測病毒、癌症篩查、檢查精子活力、檢測氣體、測試細菌耐藥性、檢測食物營養成分和新鮮度、計算食品熱量、識別材料等等。

然而，今天我們要特別提及的是一個可配合智能手機使用的特殊設備：光譜儀。之前，筆者介紹過美國華盛頓州立大學的科研團隊設計的一種低成本、攜帶型的智能手機光譜儀。它可以通過測量光譜，即時分析出幾種樣本中化學物質的數量和類型，捕捉腫瘤標誌物，提供實驗室級別的檢測結果。

（圖片來源： 華盛頓州立大學）

創新

今天，要給大家介紹的是一種新型光譜儀。它的尺寸足夠小，可以簡易並廉價地嵌入到智能手機中，檢測空氣質量、食物新鮮程度、腫塊是否是惡性腫瘤。

這款小型感測器由荷蘭埃因霍芬理工大學開發，大小正好與科學實驗室中使用的普通桌面模型相同。研究人員將他們的創新成果發表於12月20日的《自然通信》（Nature Communications）雜誌。

（圖片來源： 參考資料【2】）

技術

光譜測定法，可用於分析可見和不可見光，應用範圍很廣。基於光線的吸收和反射，每種材料和生物組織都具有自己的「足跡」，因此可以通過光譜測定法識別。然而，精準的光譜儀非常龐大，因為它們將光線分成不同顏色（頻率），然後單獨測量。在光線被拆分開之後，不同頻率的光束仍然相互重疊；因此，在拆分開之後，高精準度的測量只能在幾十厘米內進行。

埃因霍芬理工大學的研究人員開發了一種靈巧的感測器，它採用了一種特殊的「光子晶體諧振腔」，一種只有幾微米的「陷阱」，讓落入其中的光線無法逃脫。這種「陷阱」包含於膜中，在其中被捕獲的光線生成微弱的電流，並可以被測量到。博士生?arko
Zobenica 製作了這種腔體。它十分精準，保持著非常微小的頻率間隔，因此只能測量到處於那個頻率下的光線。

（圖片來源： 參考資料【2】）

為了可以測量到更大的頻率範圍，研究人員讓兩層膜上下靠得很近，放置在一起。這兩層膜相互影響：如果它們之間的距離稍微發生變化，感測器能夠檢測到的光線頻率也會發生變化。為了這個目標，由 Andrea Fiore 教授和副教授 Rob van der Heijden 管理的研究人員，集成了MEMS（微機電系統）。這種微機電機制讓膜之間的距離發生變化，然後測量頻率。最終，感測器覆蓋的波長範圍約達30納米。在這個範圍內，光譜儀能夠分清幾十萬種頻率，而且非常精準。之所以可以達到這個效果，是因為研究人員能精準判斷膜與膜之間的距離，精度達到幾飛米（10^-15 米）。

Fiore

教授希望再過五年或者更長的時間，新光譜儀會真正集成到入智能手機中，因為目前覆蓋的頻率範圍仍然太小。目前，感測器只覆蓋了最常見的光譜的百分之幾，近紅外部分。所以，他的研究小組將致力於擴展可檢測到的光譜。除了微型光譜儀外，他們也採用了其他元件：光源，使得感測器可以獨立於外部光源。

價值

為了演示這種光譜儀的效能，研究團隊展示了幾種應用，包括氣體感測器。他們也聰明地利用當兩個膜之間發生相對運動後，檢測到的頻率會發生變化這一事實，製作了一個極度精準的運動感測器。

這項技術的應用範圍很廣。微型光譜儀有望如同攝像頭一般，成為智能手機的重要部件。例如，用於測量二氧化碳、監測煙霧、判斷你吃的藥物、測量食物的新鮮程度，測量血糖水準等等。

關鍵字

醫療、智能手機、光譜儀

參考資料

【1】https://www.tue.nl/en/university/news-and-press/news/20-12-2017-micro-spectrometer-opens-door-to-a-wealth-of-new-smartphone-functions/

【2】?arko Zobenica, Rob W. van der Heijden, Maurangelo Petruzzella,
Francesco Pagliano, Rick Leijssen, Tian Xia, Leonardo Midolo, Michele
Cotrufo, YongJin Cho, Frank W. M. van Otten, Ewold Verhagen, Andrea
Fiore. Integrated nano-opto-electro-mechanical sensor for spectrometry and nanometrology. Nature Communications, 2017; 8 (1) DOI: 10.1038/s41467-017-02392-5

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