I den här illustrationen, Quantum Dot (QD)-spektrometerenheten skriver ut QD-filter — ett viktigt tillverkningssteg. Andra spektrometermetoder har komplicerade system för att skapa de optiska strukturer som behövs. Här i QD-spektrometermetoden, den optiska strukturen – QD-filter – genereras genom att trycka ut vätskedroppar. Detta tillvägagångssätt är unikt och fördelaktigt när det gäller flexibilitet, enkelhet, och kostnadsminskning.
Instrument som mäter ljusets egenskaper, kända som spektrometrar, används ofta inom fysiska, kemisk, och biologisk forskning. Dessa enheter är vanligtvis för stora för att vara bärbara, men MIT-forskare har nu visat att de kan skapa spektrometrar som är tillräckligt små för att passa in i en smartphonekamera, använder små halvledarnanopartiklar som kallas kvantprickar.
Sådana enheter kan användas för att diagnostisera sjukdomar, speciellt hudåkommor, eller för att upptäcka miljöföroreningar och livsmedelsförhållanden, säger Jie Bao, en före detta MIT postdoc och huvudförfattare till en artikel som beskrev kvantprickspektrometrarna i numret 2 juli av Natur .
Detta arbete representerar också en ny applikation för kvantprickar, som främst har använts för att märka celler och biologiska molekyler, samt i dator- och tv-skärmar.
"Att använda kvantprickar för spektrometrar är en så enkel applikation jämfört med allt annat som vi har försökt göra, och det tycker jag är väldigt tilltalande, " säger Moungi Bawendi, Lester Wolfe professor i kemi vid MIT och tidningens senior författare.
Krympande spektrometrar
De tidigaste spektrometrarna bestod av prismor som separerar ljus i dess ingående våglängder, medan nuvarande modeller använder optisk utrustning såsom diffraktionsgitter för att uppnå samma effekt. Spektrometrar används i en mängd olika applikationer, som att studera atomära processer och energinivåer i fysik, eller analysera vävnadsprover för biomedicinsk forskning och diagnostik.
Genom att ersätta den skrymmande optiska utrustningen med kvantprickar kunde MIT-teamet krympa spektrometrar till ungefär storleken på ett amerikanskt kvartal, och att dra fördel av några av de inneboende användbara egenskaperna hos kvantprickar.
Kvantprickar, en typ av nanokristaller som upptäcktes i början av 1980-talet, tillverkas genom att kombinera metaller som bly eller kadmium med andra grundämnen inklusive svavel, selen, eller arsenik. Genom att kontrollera förhållandet mellan dessa utgångsmaterial, temperaturen, och reaktionstiden, forskare kan generera ett nästan obegränsat antal punkter med skillnader i en elektronisk egenskap som kallas bandgap, som bestämmer ljusets våglängder som varje punkt kommer att absorbera.
Dock, de flesta av de befintliga applikationerna för quantum dots drar inte fördel av detta enorma utbud av ljusabsorbans. Istället, de flesta applikationer, som märkning av celler eller nya typer av TV-skärmar, utnyttja kvantprickars fluorescens – en egenskap som är mycket svårare att kontrollera, säger Bawendi. "Det är väldigt svårt att göra något som fluorescerar väldigt starkt, " säger han. "Du måste skydda prickarna, du måste göra all denna ingenjörskonst."
Forskare arbetar också med solceller baserade på kvantprickar, som förlitar sig på prickarnas förmåga att omvandla ljus till elektroner. Dock, detta fenomen är inte väl förstådd, och är svår att manipulera.
Å andra sidan, quantum dots absorptionsegenskaper är välkända och mycket stabila. "Om vi kan lita på dessa egenskaper, det är möjligt att skapa applikationer som kommer att ha större genomslag på relativt kort sikt, " säger Bao.
Brett spektrum
Den nya kvantprickspektrometern använder hundratals kvantprickmaterial som var och en filtrerar en specifik uppsättning ljusvåglängder. Kvantpunktsfiltren skrivs ut i en tunn film och placeras ovanpå en fotodetektor, såsom laddningskopplade enheter (CCD) som finns i mobiltelefonkameror.
Forskarna skapade en algoritm som analyserar procentandelen fotoner som absorberas av varje filter, kombinerar sedan informationen från var och en för att beräkna intensiteten och våglängden för de ursprungliga ljusstrålarna.
Ju fler kvantprickmaterial det finns, desto fler våglängder kan täckas och desto högre upplösning kan erhållas. I detta fall, forskarna använde cirka 200 typer av kvantprickar spridda över ett intervall på cirka 300 nanometer. Med fler prickar, sådana spektrometrar skulle kunna utformas för att täcka ett ännu bredare spektrum av ljusfrekvenser.
"Bawandi och Bao visade ett vackert sätt att utnyttja den kontrollerade optiska absorptionen av halvledarkvantprickar för miniatyrspektrometrar. De visar en spektrometer som inte bara är liten, men också med hög genomströmning och hög spektral upplösning, som aldrig har uppnåtts tidigare, " säger Feng Wang, en docent i fysik vid University of California i Berkeley som inte var involverad i forskningen.
Om den ingår i små handhållna enheter, denna typ av spektrometer kan användas för att diagnostisera hudtillstånd eller analysera urinprover, säger Bao. De kan också användas för att spåra vitala tecken som puls och syrenivå, eller för att mäta exponering för olika frekvenser av ultraviolett ljus, som varierar mycket i deras förmåga att skada huden.
"Den centrala komponenten i sådana spektrometrar - quantum dot filter array - är tillverkad med lösningsbaserad bearbetning och utskrift, vilket möjliggör betydande potentiell kostnadsminskning, " tillägger Bao.
