Lichtanalysierendes „Lab-on-a-Chip“ öffnet die Tür für den weit verbreiteten Einsatz tragbarer Spektrometer

Wissenschaftler, darunter ein Materialforscher der Oregon State University, haben ein besseres Werkzeug zur Messung von Licht entwickelt und einen Beitrag zu einem als optische Spektrometrie bekannten Gebiet geleistet, das alles verbessern könnte, von Smartphone-Kameras bis hin zur Umweltüberwachung.

Die heute veröffentlichte Studie in Wissenschaftwurde von der finnischen Aalto-Universität geleitet und führte zu einem leistungsstarken, ultrakleinen Spektrometer, das auf einen Mikrochip passt und mit künstlicher Intelligenz betrieben wird.

Die Forschung umfasste eine vergleichsweise neue Klasse von superdünnen Materialien, die als zweidimensionale Halbleiter bekannt sind, und das Ergebnis ist ein Machbarkeitsnachweis für ein Spektrometer, das problemlos in eine Vielzahl von Technologien integriert werden könnte – darunter Qualitätsinspektionsplattformen, Sicherheitssensoren und biomedizinische Analysatoren und Weltraumteleskope.

„Wir haben einen Weg demonstriert, Spektrometer zu bauen, die viel kleiner sind als die heute üblichen“, sagte Ethan Minot, Professor für Physik am OSU College of Science. „Spektrometer messen die Lichtstärke bei verschiedenen Wellenlängen und sind in vielen Branchen und allen Bereichen der Wissenschaft äußerst nützlich, um Proben zu identifizieren und Materialien zu charakterisieren.“

Herkömmliche Spektrometer erfordern sperrige optische und mechanische Komponenten, während das neue Gerät auf die Spitze eines menschlichen Haares passen könnte, sagte Minot. Die neue Forschung legt nahe, dass diese Komponenten durch neuartige Halbleitermaterialien und KI ersetzt werden können, wodurch Spektrometer von den derzeit kleinsten, die etwa die Größe einer Traube haben, dramatisch verkleinert werden können.

„Unser Spektrometer erfordert keine Montage separater optischer und mechanischer Komponenten oder Array-Designs, um Licht zu zerstreuen und zu filtern“, sagte Hoon Hahn Yoon, der die Studie zusammen mit Zhipei Sun Yoon, einem Kollegen von der Aalto University, leitete. „Darüber hinaus kann es eine mit Benchtop-Systemen vergleichbare hohe Auflösung erreichen, jedoch in einem viel kleineren Gehäuse.“

Das Gerät ist in Bezug auf die absorbierten Lichtfarben zu 100 % elektrisch steuerbar, was ihm ein enormes Potenzial für Skalierbarkeit und breite Verwendbarkeit verleiht, sagen die Forscher.

„Die direkte Integration in tragbare Geräte wie Smartphones und Drohnen könnte unser tägliches Leben voranbringen“, sagte Yoon. „Stellen Sie sich vor, die nächste Generation unserer Smartphone-Kameras könnten Hyperspektralkameras sein.“

Diese Hyperspektralkameras könnten nicht nur Informationen aus sichtbaren Wellenlängen erfassen und analysieren, sondern auch Infrarot-Bildgebung und -Analyse ermöglichen.

„Es ist aufregend, dass unser Spektrometer Möglichkeiten für alle möglichen neuen Alltagsgeräte und Instrumente eröffnet, um auch neue Wissenschaften zu betreiben“, sagte Minot.

In der Medizin werden beispielsweise bereits Spektrometer auf ihre Fähigkeit getestet, feine Veränderungen im menschlichen Gewebe zu erkennen, etwa den Unterschied zwischen Tumoren und gesundem Gewebe.

Für die Umweltüberwachung, fügte Minot hinzu, können Spektrometer genau erkennen, welche Art von Verschmutzung sich in der Luft, im Wasser oder im Boden befindet und wie viel davon vorhanden ist.

„Es wäre schön, kostengünstige, tragbare Spektrometer zu haben, die diese Arbeit für uns erledigen“, sagte er. „Und im Bildungsbereich wäre die praktische Vermittlung wissenschaftlicher Konzepte mit kostengünstigen, kompakten Spektrometern effektiver.“

Anwendungen gibt es auch für wissenschaftsorientierte Bastler im Überfluss, sagte Minot.

„Wenn Sie sich für Astronomie interessieren, könnten Sie daran interessiert sein, das Lichtspektrum zu messen, das Sie mit Ihrem Teleskop sammeln, und anhand dieser Informationen einen Stern oder Planeten identifizieren zu können“, sagte er. „Wenn Geologie Ihr Hobby ist, könnten Sie Edelsteine ​​identifizieren, indem Sie das Lichtspektrum messen, das sie absorbieren.“

Minot glaubt, dass wir mit fortschreitender Arbeit an zweidimensionalen Halbleitern „schnell neue Wege entdecken werden, um ihre neuartigen optischen und elektronischen Eigenschaften zu nutzen“. Die Erforschung von 2D-Halbleitern wird erst seit einem Dutzend Jahren ernsthaft betrieben, beginnend mit der Untersuchung von Graphen, Kohlenstoff, der in einem Wabengitter mit einer Dicke von einem Atom angeordnet ist.

„Es ist wirklich aufregend“, sagte Minot. „Ich glaube, dass wir weiterhin interessante Durchbrüche erzielen werden, wenn wir zweidimensionale Halbleiter untersuchen.“

Neben Minot, Yoon und Sun umfasste die Zusammenarbeit Wissenschaftler der Shanghai Jiao Tong University, der Zhejiang University, der Sichuan University, der Yonsei University und der University of Cambridge sowie weitere Forscher der Aalto University.