Спектрометр размером с человеческую клетку может определять загрязняющие вещества и многое другое

Содержит ли эта пища глютен? Могут ли испарения, исходящие от горящего пластика, быть токсичными? Попали ли загрязняющие вещества на эти сельскохозяйственные угодья? Ответить на такие вопросы могут лабораторные инструменты, называемые оптическими спектрометрами, которые могут определять химические вещества. И теперь появилась новая сверхминиатюрная версия такого прибора, которая однажды может оказаться в наших руках.

Большинство спектрометров стоят на столе. Новый прибор, разработанный учеными из университета Аальто (США) меньше клетки человеческой кожи. Его размеры и производительность делают его идеальным для использования в небольших устройствах. Это может быть, например, смартфон или дрон.

Спектрометр использует свет для идентификации ингредиентов какого-либо материала. Ингредиентами могут быть любые вещества — от отдельных элементов до сложных молекул. Когда свет взаимодействует с веществом, каждый ингредиент в этом веществе слегка изменяет свет. Спектрометр помогает определить эти изменения, изучая широкий спектр длин волн этого света.

Информация о новой разработке была опубликована в журнале Science.

Настольные спектрометры посылают свет через образец или исследуют свет, исходящий непосредственно от него. Этот свет проходит через призму или решетку на одном конце аппарата. Это разделяет свет на составляющие его цвета — не просто один оттенок, например, синий или красный, а конкретные оттенки, которые могут быть использованы для идентификации каждого ингредиента. Новый сверхминиатюрный прибор — первый, предлагающий спектральный анализ с такой же детализацией, как и большие спектрометры.

Вместо призм или решеток в устройстве используются две крошечные чешуйки полупроводниковых материалов. Одна чешуйка частично перекрывает другую. Вместе они располагаются на компьютерном чипе. Размер этого чипа не превышает рисовое зерно.

Свет, падающий на чешуйки, создает электрический ток, сила которого является мерой интенсивности света.

Новое устройство использует один сенсор для получения данных обо всех измеряемых цветах, от видимого света до ближнего инфракрасного. Эти данные поступают прямо с чипа в компьютер. Затем программа с помощью искусственного интеллекта сопоставляет полученный спектр с известными образцами в базе данных и выдает данные о химических веществах, которые она определила. Эти химические вещества и есть компоненты образца.

По словам ученых, потребуется еще несколько лет, чтобы сделать этот крошечный спектрометр доступным для использования в телефонах и других продуктах. При этом они не видят "никаких фундаментальных барьеров, которые нужно преодолеть".

Размер спектрометра делает его идеальным для размещения на компактном дроне или в устройстве, которое может быть имплантировано в тело. Однажды, возможно, эти устройства помогут слепым людям "видеть" цвета с помощью легких очков. Добавление микроспектрометра в "умные" устройства, такие как телефоны, может привести к другим возможностям. Люди с пищевой аллергией могли бы проверять свою пищу на наличие проблемных ингредиентов. Или люди, подверженные риску заболевания раком легких, могли бы следить за газами, которые они выдыхают, на предмет признаков заболевания.

Такие устройства также могут облегчить мониторинг здоровья сельскохозяйственных культур, загрязнения окружающей среды, качества продуктов питания — даже прогрессирования некоторых заболеваний.