劍橋大學(xué)論文合作者合影 項(xiàng)目組供圖
納米線光譜儀可以做成光譜芯片，與廣泛使用的手機(jī)攝像系統(tǒng)具有良好的兼容性，繼而設(shè)計(jì)成緊湊式光譜儀模塊，使手機(jī)具備光譜探測(cè)能力，宣傳欄廠家，把強(qiáng)大的光譜分析技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室搬到手掌上。
■見(jiàn)習(xí)記者 程唯珈
買了青菜，擔(dān)心有農(nóng)藥？拿出手機(jī)，打開(kāi)攝像頭，讓微型光譜儀先幫你做個(gè)CT。此外，光譜儀還能檢測(cè)出食物的新鮮程度、蛋白質(zhì)含量、糖分含量等。這些看似“科幻”的操作，在不久的將來(lái)都可能變成現(xiàn)實(shí)。
這一切的背后，都離不開(kāi)一根由半導(dǎo)體納米線組成的微型光譜儀。其大小比人類頭發(fā)千分之一還細(xì)，說(shuō)它是世界上最小的光譜儀也毫不為過(guò)。
“它可被集成到手機(jī)上，指路牌，只要用手機(jī)一掃就可以檢測(cè)出食物的新鮮度、食品藥品的成分，還可用于藝術(shù)品的鑒定?！霸摴庾V儀的發(fā)明者之一、論文第一作者、劍橋大學(xué)石墨烯中心博士后楊宗銀將一根纖細(xì)的帶隙漸變的硫硒化鎘納米線放置顯微鏡下。在藍(lán)光的激發(fā)下，散發(fā)著彩虹色的熒光。
該成果日前發(fā)表于《科學(xué)》。
牛頓的棱鏡
17世紀(jì)，牛頓發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)光通過(guò)棱鏡的折射后可觀察到彩色，這個(gè)色散實(shí)驗(yàn)為光譜儀的誕生播下了種子。通過(guò)對(duì)光譜的測(cè)量，人們可獲知大到幾百萬(wàn)光年外的星系活動(dòng)、小到納米尺度的分子結(jié)構(gòu)，還可以用來(lái)分析物體中的化學(xué)成分。
比如我們?nèi)粘ｏ嬘玫呐Ｄ?，肉眼直接觀察很難區(qū)別個(gè)中差異。但是通過(guò)對(duì)牛奶進(jìn)行光譜分析，牛奶里的成分便一目了然。
“每個(gè)物質(zhì)都會(huì)有相應(yīng)的光譜信號(hào)，宣傳欄廠家，如水、乙醇、糖的吸收光譜，熒光、拉曼光譜都不一樣。據(jù)此可以確定牛奶的成分、糖分高低、含水量多少以及是否含有三聚氰胺等?！?論文作者之一、上海理工大學(xué)副教授谷付星告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，借助光譜儀，人們可以快速地進(jìn)行食物成分的分析。
盡管目前光譜儀技術(shù)已經(jīng)成熟，但光譜儀的微型化，遇到了門檻。
“普通光譜儀包含色散元件，這是個(gè)很核心的器件?！惫雀缎墙榻B，科研人員一般用棱鏡或者光柵對(duì)入射光進(jìn)行分光色散，然后在后方放置一個(gè)光探測(cè)器陣列用于測(cè)量不同譜線的強(qiáng)度信息。但是，由于使用了棱鏡光柵等分光元件，導(dǎo)致光譜儀體積龐大。而減小分光和探測(cè)元件的尺寸又將導(dǎo)致光譜儀的光譜分辨率、靈敏度及動(dòng)態(tài)檢測(cè)范圍顯著下降。
有沒(méi)有一種辦法可以兼顧儀器的尺寸和精度？多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外科研人員展開(kāi)了諸多研究。包括且不局限于利用高度集成的微電子芯片處理信號(hào)、使用精密加工技術(shù)使器件空間體積更小等手段，但均未突破色散如棱鏡和光柵等這個(gè)核心器件的限制。
誰(shuí)能想到，在牛頓實(shí)驗(yàn)四百多年后的今天，來(lái)自中國(guó)、英國(guó)和芬蘭的科研團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，僅僅采用了一根半導(dǎo)體納米線，就成功攻克了這個(gè)技術(shù)難題。
納米線牽起兄弟情
說(shuō)起這神奇的納米線，還得從8年前說(shuō)起。
早在2011年，同在浙江大學(xué)求學(xué)的谷付星和楊宗銀共同發(fā)明了在單根納米線上調(diào)控帶隙的技術(shù)。用谷付星的話形容，“得到的納米線在熒光顯微鏡下觀察起來(lái)就像一道彩虹”。
“這很容易讓人聯(lián)想到牛頓三棱鏡實(shí)驗(yàn)中的七彩色?！睏钭阢y告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，沿著這一思路，這對(duì)師兄弟開(kāi)始探索用納米線替代三棱鏡，將傳統(tǒng)光學(xué)器件的尺寸縮小到納米尺度。
然而，想要實(shí)現(xiàn)光譜信號(hào)的收集和分析并非易事。盡管理論上可以在這種納米線周邊做電極陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)光譜檢測(cè)，但是這需要精密的微納加工。
2012年，谷付星從浙江大學(xué)畢業(yè)，廣告燈箱多少錢一個(gè)，前赴上海理工大學(xué)成為“青椒”。由于實(shí)驗(yàn)室剛起步，無(wú)法滿足光譜實(shí)驗(yàn)的條件，于是他一邊研究氫氣傳感，一邊將希望寄托于前往劍橋大學(xué)讀博的楊宗銀。
而在大洋彼岸，楊宗銀的日子也不好過(guò)。他心儀的納米線光譜儀課題和導(dǎo)師的研究方向并不匹配，想要完成實(shí)驗(yàn)測(cè)試需要極其艱苦的努力。
“從我2014年來(lái)劍橋讀博，文化宣傳欄，直至2017年一共做了大概150個(gè)光譜儀器件，結(jié)果仍然不理想，這段時(shí)間幸虧有妻子的支持。隨著對(duì)器件和算法的一次次優(yōu)化，直到2018年8月，在一個(gè)周六晚上，我在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量到了信號(hào)，有點(diǎn)不敢相信自己的眼睛，驗(yàn)證了多次都和商用光譜儀測(cè)量結(jié)果相符，那一刻真是百感交集?！被厥走@段經(jīng)歷，楊宗銀至今記憶猶新。
