Tänk dig att rikta din smartphone mot ett salt mellanmål som du hittade längst bak i ditt skafferi och omedelbart veta om dess ingredienser hade blivit harskna.

Enheter som kallas spektrometrar kan upptäcka farliga kemikalier baserade på ett unikt "fingeravtryck" av absorberat och utsänt ljus. Men dessa ljusklyvande instrument har länge varit både skrymmande och dyra, förhindra deras användning utanför labbet.

Tills nu. Ingenjörer vid University of Wisconsin-Madison har utvecklat en spektrometer som är så liten och enkel att den kan integreras med kameran på en vanlig mobiltelefon utan att offra noggrannhet.

"Detta är en kompakt, single-shot spectrometer som erbjuder hög upplösning med låga tillverkningskostnader, "säger Zhu Wang, som var bland teamet av elektriska ingenjörer som skapade enheten.

Forskarna publicerade en beskrivning av enheterna den 4 mars, 2019, i tidningen Naturkommunikation .

Teamets enheter har också en avancerad kapacitet som kallas hyperspektral avbildning, som samlar information om varje enskild pixel i en bildordning för att identifiera material eller upptäcka specifika objekt mitt i en komplicerad bakgrund. Hyperspektral avkänning, till exempel, kan användas för att upptäcka sömmar av värdefulla mineraler i bergytor eller för att identifiera specifika växter i ett mycket växtligt område.

Varje element spektrala fingeravtryck innehåller unika utsända eller absorberade våglängder av ljus - och spektrometerns förmåga att känna att ljus är det som har gjort det möjligt för forskare att göra allt från att analysera sammansättningen av okända föreningar för att avslöja avlägsna stjärnor.

Spektrometrar förlitar sig vanligtvis på prismor eller galler för att dela ljus som avges från ett objekt i diskreta band - var och en motsvarar en annan våglängd. En kameras fotodetektor kan fånga och analysera dessa band; till exempel, det spektrala fingeravtrycket av elementet natrium består av två band med våglängder på 589 och 590 nanometer.

Mänskliga ögon ser 590 nanometer våglängdsljus som en gul-orange nyans. Kortare våglängder motsvarar blues och lila, medan längre våglängder verkar röda. Sunlight innehåller en komplett regnbåge blandad tillsammans, som vi ser som vita.

För att lösa skillnaden mellan en blandning av olika färger, spektrometrar måste vanligtvis vara relativt stora med en lång banlängd för att ljusstrålar ska kunna resa och separera.

Ändå skapade laget små spektrometrar, mäter bara 200 mikrometer på varje sida (ungefär en tjugonde av en kulspetsspetsarea) och tillräckligt känslig för att ligga direkt på en sensor från en typisk digitalkamera.

Den lilla storleken var möjlig eftersom forskarna baserade sin enhet på specialdesignade material som tvingade inkommande ljus att studsa fram och tillbaka flera gånger innan de nådde sensorn. De inre reflektionerna förlängde vägen längs vilken ljuset färdades utan att lägga till massa, öka enheternas upplösning.

Och enheterna utförde hyperspektral avbildning, lösa två distinkta bilder (av siffrorna fem och nio) från en ögonblicksbild av en överlagrad projektion som kombinerade paret till något som inte går att skilja med blotta ögat.

Nu hoppas laget att öka enhetens spektralupplösning såväl som tydligheten och skarpheten i bilderna som det tar. Dessa förbättringar kan bana väg för ännu mer förbättrade sensorer.