Forskare har designat en ultraminiatyriserad enhet som direkt kan avbilda enstaka celler utan behov av ett mikroskop eller göra kemisk fingeravtrycksanalys möjlig från en smartphone.

Enheten, gjord av en enda nanotråd 1000 gånger tunnare än ett människohår, är den minsta spektrometer som någonsin konstruerats. Det kan användas i potentiella tillämpningar som att bedöma färskheten hos livsmedel, kvaliteten på droger, eller till och med identifiera förfalskade föremål, allt från en smartphonekamera. Detaljer redovisas i journalen Vetenskap .

På 1600-talet, Isaac Newton, genom sina observationer om ljusets splittring av ett prisma, sådde fröna till ett nytt vetenskapsområde som studerar växelverkan mellan ljus och materia - spektroskopi. I dag, optiska spektrometrar är viktiga verktyg inom industrin och nästan alla områden av vetenskaplig forskning. Genom att analysera ljusets egenskaper, spektrometrar kan berätta om processerna i galaktiska nebulosor, miljoner ljusår bort, ner till egenskaperna hos proteinmolekyler.

Dock, även nu, majoriteten av spektrometrarna är baserade på principer som liknar vad Newton visade med sitt prisma:den rumsliga separeringen av ljus i olika spektrala komponenter. En sådan grund begränsar i grunden storleken på spektrometrar i avseende:de är vanligtvis skrymmande och komplexa, och utmanande att krympa till storlekar mycket mindre än ett mynt. Fyra hundra år efter Newton, University of Cambridge forskare har övervunnit denna utmaning att producera ett system som är upp till tusen gånger mindre än de som tidigare rapporterats.

Cambridge-teamet, arbeta med kollegor från Storbritannien, Kina och Finland, använde en nanotråd vars materialsammansättning varierar längs dess längd, gör det möjligt att reagera på olika ljusfärger över det synliga spektrumet. Genom att använda tekniker som liknar dem som används för tillverkning av datorchips, de skapade sedan en serie ljuskänsliga sektioner på denna nanotråd.

"Vi konstruerade en nanotråd som gör att vi kan bli av med de dispersiva elementen, som ett prisma, producerar en mycket enklare, ultraminiatyriserat system än vad konventionella spektrometrar kan tillåta, " sa förstaförfattaren Zongyin Yang från Cambridge Graphene Centre. "De individuella svaren vi får från nanotrådssektionerna kan sedan direkt matas in i en datoralgoritm för att rekonstruera det infallande ljusspektrumet."

"När du tar ett foto, informationen som lagras i pixlar är vanligtvis begränsad till bara tre komponenter – röd, grön, och blått, " sa den första författaren Tom Albrow-Owen. "Med vår enhet, varje pixel innehåller datapunkter från hela det synliga spektrumet, så vi kan få detaljerad information långt utöver de färger som våra ögon kan uppfatta. Detta kan berätta för oss, till exempel, om kemiska processer som sker i bildens ram."

"Vårt tillvägagångssätt kan tillåta en aldrig tidigare skådad miniatyrisering av spektroskopiska enheter, i en utsträckning som skulle kunna se dem införlivas direkt i smartphones, föra kraftfulla analytiska teknologier från labbet till våra händer, " sa Dr Tawfique Hasan, som ledde studien.

En av de mest lovande potentiella användningsområdena för nanotråden kan vara inom biologi. Eftersom enheten är så liten, den kan direkt avbilda enstaka celler utan behov av ett mikroskop. Och till skillnad från andra bioavbildningstekniker, informationen som erhålls av nanotrådsspektrometern innehåller en detaljerad analys av det kemiska fingeravtrycket för varje pixel.

Forskarna hoppas att plattformen de har skapat kan leda till en helt ny generation av ultrakompakta spektrometrar som arbetar från det ultravioletta till det infraröda området. Sådan teknik skulle kunna användas för ett brett spektrum av konsumenter, forskning och industriella tillämpningar, inklusive i lab-on-a-chip-system, biologiska implantat, och smarta bärbara enheter.

Cambridge-teamet har lämnat in ett patent på tekniken, och hoppas att se verkliga tillämpningar inom de kommande fem åren.