Ett forskargrupp av fysiker från Harvard University har utvecklat nya handhållna spektrometrar som kan uppnå samma prestanda som stora, bänkskiva. Forskarnas innovation förklarades denna vecka i APL Photonics , härrör från deras banbrytande arbete i metalinser. De handhållna spektrometrarna ger ett riktigt löfte för applikationer som sträcker sig från sjukvårdsdiagnostik till miljö- och livsmedelsövervakning.
Spektrometrar är instrument som används i stor utsträckning för att kvantifiera förekomsten av olika biologiska eller kemiska föreningar baserat på deras interaktion med ljus. Dock, att vara ett praktiskt verktyg för användare, som läkare vid sängen eller livsmedelssäkerhetsinspektörer ute på fältet, spektrometrar måste vara bärbara, låg kostnad och lätt att använda utan specialutrustning eller utbildning. Vanligtvis, dock, det finns en inneboende avvägning mellan spektrometerns storlek och prestanda. För att bibehålla prestanda samtidigt som du minskar spektrometerstorleken, detta forskargrupp har utvecklat en spektrometer som innehåller metalinser som kombinerar funktionerna hos ett traditionellt galler och fokuseringsspegel till en enda komponent, liksom att ha mycket större förmåga att spatialt separera våglängder (den så kallade dispersionen). I alla, den totala storleken på spektrometern reduceras avsevärt utan att offra prestanda.
"Denna forskning har sina rötter ända tillbaka till 2011, när vi undersökte ljusets grundläggande egenskaper när det interagerar med tvådimensionella metamaterial (metasytor) och upptäckte generaliserade lagar för brytning och reflektion av ljus för metasytan, som är kraftfulla generaliseringar av lärobokslagarna som gäller för vanliga ytor, "förklarade Federico Capasso från Harvard.
Till skillnad från traditionella eldfasta linser som är millimeter tjocka och har en karakteristisk böjd yta, en metalins är en helt platt eller plan lins som består av miljontals nanostrukturer. Med hjälp av litografiska tekniker, korrekt placering och tillverkning av dessa nanostrukturer möjliggör liknande eller bättre funktioner jämfört med traditionella linser. Dessa metalinser kan anpassas efter en användares specifikationer, och massproducerade med samma gjuterier som producerar datorchips. "Av dessa anledningar, vi tror att metalinser är spelbytare, "Sa Capasso." Faktum är att vårt arbete med metalenses i det synliga, publicerades förra året, hyllades av Science magazine som ett av årets främsta genombrott 2016. "
"De potentiella tillämpningarna av dessa nya mindre spektrometrar är betydande för bärbar övervakning av biologiska och kemiska föreningar", säger Alex Zhu, huvudförfattare till tidningen. "Till exempel, läkare kan ge diagnosmöjligheter på sjukhusnivå till patienter på området där sofistikerad utrustning och högutbildad personal inte finns tillgänglig, tillhandahålla data på en tidsperiod på minuter till timmar, i motsats till dagar eller veckor från vanliga kemibaserade metoder. "Detsamma gäller för miljöövervakning:Data om föroreningar, eller giftiga kemikalier kan samlas in och bearbetas i realtid på plats på olika platser med ultrakompakta, högpresterande spektrometrar.
Nästa steg mot att förverkliga den fulla potentialen hos dessa metaspektrometrar är att förbättra prototypens prestanda för både arbetsvåglängdsområdet och spektralupplösning. Detta skulle göra det möjligt att använda den för en mängd olika analyser, inklusive högt specialiserade för att identifiera proteiner eller genmarkörer (Raman-spektroskopi), som vanligtvis involverar betungande processer med sofistikerad utrustning i ett laboratorium i full storlek.
"Målet är att kunna uppnå jämförbara prestandanivåer med en enkel "plug-and-play" tvåkomponentsenhet, dvs. en metalins och en detektor, som tillsammans fungerar som en metaspektrometer, ", sade Zhu. "Möjligheten för detta finns redan i meta-linsteknologin; det är helt enkelt en fråga om att hitta rätt konfigurationer och få det att fungera. "
