越过“牛顿棱镜” 的纳米级光谱仪问世

买了蔬菜，担心农药？拿出你的手机，打开相机，让微型光谱仪先为你做一个CT。此外，该光谱仪还可以检测食品的新鲜度、蛋白质含量和糖分含量。这些看似“科幻”的行动可能在不久的将来成为现实。

在这一切的背后，由半导体纳米线组成的微型光谱仪是不可或缺的。它的尺寸小于人类头发的千分之一。说它是世界上最小的光谱仪也不为过。

“它可以集成到手机中，只要被手机扫走，就可以用来检测食物的新鲜度、食物和药物的成分以及艺术品的识别。”该光谱仪的发明者之一、论文的第一作者、剑桥大学石墨烯中心的博士后杨宗贤将一根细长的带隙渐变的硒化镉纳米线置于显微镜下。受到蓝光的激发，它发出彩虹般的荧光。

该结果最近发表在《科学》杂志上。

光谱仪小型化的门槛:牛顿棱镜

17世纪，牛顿发现，阳光被棱镜折射后，就可以观察到颜色。这个分散实验为分光计的诞生播下了种子。通过测量光谱，人们可以知道数百万光年以外的星系的活动，小到纳米级的分子结构，还可以用来分析物体的化学成分。

例如，很难用肉眼区分我们每天喝的牛奶。然而，通过对牛奶的光谱分析，牛奶的成分一目了然。

“每种物质都会有相应的光谱信号，例如水、乙醇和糖的吸收光谱、荧光光谱和拉曼光谱。据此，可以确定牛奶的成分，看哪一杯含有高糖和低糖，有多少水分，以及它是否含有三聚氰胺等。论文作者之一、上海理工大学副教授顾福兴告诉《中国科学报》，借助分光计，人们可以快速分析食物成分。

虽然目前光谱仪技术已经成熟，但是光谱仪的小型化已经达到了极限。

"普通的光谱仪包含色散元件，这是非常核心的设备."顾福兴说，研究人员通常使用棱镜或光栅来分散入射光，然后在其后放置一个光电探测器阵列来测量不同谱线的强度信息。然而，由于使用棱镜光栅和其他分光元件，光谱仪体积庞大。然而，减小分光和检测元件的尺寸将导致光谱仪的光谱分辨率、灵敏度和动态检测范围显著降低。

有办法平衡仪器的尺寸和精度吗？多年来，来自不同国家的研究人员进行了许多研究。包括但不限于使用高度集成的微电子芯片来处理信号、使用精密处理技术来使器件在空间体积上更小以及其他手段，但是没有突破色散的限制，例如棱镜和光栅，它们是核心器件。

谁会想到，在牛顿实验400多年后的今天，来自中国、英国和芬兰的科研团队找到了另一种方法，只用一根半导体纳米线就成功解决了这个技术问题。

纳米线领导兄弟

说到这条神奇的纳米线，我们必须从8年前开始。

早在2011年，就读于浙江大学的顾复星和杨宗印就共同发明了调整单根纳米线带隙的技术。用顾福兴的话说:“在荧光显微镜下，获得的纳米线看起来像彩虹。”

"在牛顿的棱镜实验中，很容易想到七种颜色."杨宗印告诉《中国科学报》说，沿着这条路线，其他弟子开始探索用纳米线代替三棱镜，将传统光学器件的尺寸缩小到纳米尺度。

然而，收集和分析光谱信号并不容易。尽管理论上可以在这种纳米线周围制作电极阵列来实现光谱检测，但这需要精确的微纳加工。

2012年，顾福星从浙江大学毕业，去了上海理工大学，成为一名“青椒”。由于实验室刚刚起步，无法满足光谱实验的条件，他希望研究氢传感和杨宗印，后者曾去剑桥大学攻读博士学位。

在海洋的另一边，杨宗寅的生活也不轻松。他最喜欢的纳米线光谱仪的主题与他导师的研究方向不匹配。完成实验测试极其困难。"

“从2014年到2017年，我来到剑桥学习，已经制作了大约150个光谱仪设备，结果仍然不理想。幸运的是，在此期间我得到了妻子的支持。随着设备和算法的一次又一次优化，直到2018年8月的一个周六晚上，在实验室里，我测量了信号，有点不敢相信自己的眼睛。我多次验证了与商用光谱仪的测量结果一致。那一刻，我百感交集。”回顾这段经历，杨宗寅仍然记忆犹新。

杨宗银介绍说，实验者用一种带隙逐渐变化的特殊纳米线代替了传统光谱仪中的分光和探测元件，并在这种纳米线上用类似于制作计算机芯片的工艺制作了光电探测器阵列。它们利用每个探测器对不同颜色的光有不同响应的特性，通过求解反问题，从响应函数方程中重构待测光谱信息。

更值得一提的是，这样制作的微型光谱仪具有便携性和易于推广的特点，非常适合在可穿戴电子设备等新兴领域应用，具有广阔的应用前景。

光谱检测走进公众生活

然而，这个微型光谱仪，只有一根头发丝的千分之一大，甚至不能用肉眼清楚地看到。普通人应该如何使用它？

面对质疑，杨宗印解释说，纳米线光谱仪可以制作成一个与手机广泛使用的摄像系统兼容的光谱芯片，然后设计一个紧凑的光谱仪模块，使手机具备光谱探测能力，将强大的光谱分析技术从实验室转移到你的手中。在未来，一个物体的光谱信息只能通过拿出手机并拍摄该物体的照片来获得。

通过手机APP软件，可以将获得的信息数据与相应数据库中的数据进行对比分析，让人们直观地看到相关组件的内容在什么范围内。

“这和我们在医院得到的验血报告相似。然而，要实现这一步，还需要时间进行进一步的研究和开发。”杨宗寅说道。

顾福兴表示，在纳米机器人技术成熟、电源和信号传输问题得到解决后，除了应用于电子设备外，微型光谱仪有望通过注射植入人体，对人体健康进行实时监测，为癌症等疾病提供新的检测和治疗方法。

顾福兴对测试人体健康状况的功能，如血糖指标，表示非常谨慎。“涉及人体的健康实验会很麻烦。我们的产品必须保证检测结果的正确性，并符合相关的医疗卫生国家标准。实现的过程将会相对较长。”

他们希望，当技术成熟时，这样一台微型光谱仪只需几百美元就能被普通人轻松拥有。到那时，光谱探测技术将真正进入公众生活。

相关论文信息:https://doi.org/10.1126/science.aax8814