全球最小光譜儀問世什么技術顛覆了牛頓的棱鏡？

　　光譜儀可以檢測光譜中不同譜線強度，比如可以測出陽光的七彩色中每種顏色光的亮度。通過對光譜的測量，可以幫助人們獲知大到幾百萬光年外的星系活動，小到納米尺度的分子結構。然而，目前大部分光譜儀的工作原理仍和牛頓的實驗相似，需要用到棱鏡或光柵之類的分光元件。這種光譜儀體積龐大已無法滿足日益發展的光譜應用技術的需求。但是減小分光和探測元件的尺寸將導致光譜儀的光譜分辨率、靈敏度及動態檢測范圍顯著下降，因此光譜儀的微型化是目前科技界面臨的重大技術挑戰。

　　2019年9月6日，英國劍橋大學Tawfique Hasan團隊（楊宗銀為第一作者）在Science在線發表題為"Single-nanowire spectrometers"的研究論文，該研究開發出了尺寸僅幾十微米的光譜儀，其大小僅為市面上最小光譜儀的千分之一。該光譜儀主要由一根比人類頭發千分之一還細的半導體納米線組成。它可被集成到手機上，只要用手機一掃就可以檢測出食物的新鮮度，食品藥品的成分，還可用于藝術品的鑒定。這將大大推動微光譜儀廣泛應用到科研、生產以及生活中。

　　在17世紀，牛頓發現太陽光通過棱鏡的折射后可觀察到彩色。牛頓的這個色散實驗為光譜儀的誕生播下了種子。光譜儀可以檢測光譜中不同譜線強度，比如可以測出陽光的七彩色中每種顏色光的亮度。通過對光譜的測量，可以幫助人們獲知大到幾百萬光年外的星系活動，小到納米尺度的分子結構。還可以用來分析物體中的化學成分，從而用作對空氣污染、食品衛生、農作物生長、人體健康狀況的檢測工具，在科研和工業生產中仍扮演著極為重要的角色。

　　然而，目前大部分光譜儀的工作原理仍和牛頓的實驗相似，需要用到棱鏡或光柵之類的分光元件。這種光譜儀體積龐大已無法滿足日益發展的光譜應用技術的需求。但是減小分光和探測元件的尺寸將導致光譜儀的光譜分辨率、靈敏度及動態檢測范圍顯著下降，因此光譜儀的微型化是目前科技界面臨的重大技術挑戰。

納米線光譜儀的特征

　　在牛頓實驗四百多年后的今天，英國劍橋大學的科研團隊與來自中國、英國以及芬蘭的研究機構合作，成功克服了這個技術難題，開發出了尺寸僅幾十微米的光譜儀。其大小僅為市面上最小光譜儀的千分之一。他們另辟蹊徑，用一種帶隙漸變的特殊納米線替代了傳統光譜儀中的分光和探測元件，采用和制作電腦芯片類似的工藝在這種納米線上加工出了光探測器陣列，巧妙地利用各個探測器對不同顏色光具有不同響應的特性，通過逆問題的求解，從響應函數方程組中重構出所需要測量的光譜信息。

　　論文的第一作者，劍橋大學石墨烯中心的中國留學生楊宗銀博士介紹說：“我們沿長度方向對納米線的組分進行了調控，得到的納米線在熒光顯微鏡下觀察就像一道彩虹，很容易讓人聯想到牛頓三棱鏡實驗中的七彩色，沿著這個思路我們開始探索用納米線替代三棱鏡，這樣可以把傳統光學器件的尺寸縮小到納米尺度，使這些器件在可穿戴設備等新興領域中找到應用”。

掃描宏觀尺度的光譜成像

　　“我們平時用相機拍照的時候，每個像素點只包含了紅、綠、藍三種顏色信息，而這種光譜儀可以讓每個像素點記錄下幾十或者上百種譜線強度，這樣就可以獲取到除了色彩之外的其他有用信息，比如通過測量火焰的光可以告訴我們里面發生了哪些化學反應”，論文的共同作者Tom Albrow-Owen博士補充道。

　　“我們的微型光譜儀與廣泛使用的手機攝像系統具有良好的兼容性，可設計成緊湊式光譜儀模塊使手機具備光譜探測能力，把強大的光譜分析技術從實驗室搬到手掌上，方便在生活中測量食物、皮膚的光譜信息，從而判斷食品安全以及身體健康程度，使得光譜檢測技術有望走進大眾日常生活中”，團隊的負責人Tawfique Hasan博士說道。

　　由于極小的尺寸，他們還展示了用該微型光譜儀對單個細胞進行掃描光譜成像。不同與以往的細胞成像技術，該光譜成像可以讓圖像中的每個像素包含豐富的光譜信息，從而可以分析細胞每個部分的化學變化。通過后續的開發這種微型光譜儀將有望可以通過注射植入到人體，用于實時監測人體健康狀況，為癌癥等疾病檢測提供一種新的方法。

微米級光譜成像

　　劍橋的研究團隊已經在申請這個微型光譜儀的ZL。他們希望在這種光譜儀的基礎上開發出一系列覆蓋紫外到紅外的微型光譜儀，用大概五年左右的時間使微光譜儀廣泛應用到科研、生產以及生活中。

　　該工作由來自中國、英國和芬蘭的多個研究組合作完成：上海理工大學的谷付星副教授，浙江大學的童利民教授、楊青教授和王攀教授，南京大學的王肖沐教授，上海交通大學的蔡偉偉教授，北京大學的戴倫教授，以及芬蘭Aalto大學的孫志培教授。

　　參考信息：

　　https://science.sciencemag.org/content/365/6457/1017