通過對智能手機進行基于光子學的創(chuàng)新改造——結(jié)合微型、低成本的紅外光譜儀，可以讓用戶借助手機識別假藥、測試水樣、檢查空氣質(zhì)量。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，德國弗勞恩霍夫電子納米系統(tǒng)研究所（Fraunhofer ENAS）開發(fā)出僅重1克的微型光譜儀，使上述針對智能手機的創(chuàng)新改造過程成為可能。該研究所的目標是希望利用傳統(tǒng)技術(shù)以不到1歐元（約1.20美元）的成本批量生產(chǎn)這款光譜儀。

利用晶圓探針測試光譜儀芯片

弗勞恩霍夫電子納米系統(tǒng)研究所多器件集成主管Alexander Wei?博士表示：“我們的紅外光譜儀僅重約1克，計劃生產(chǎn)成本低于1歐元。這將使其能夠集成到智能手機之中，用戶可以方便地進行各種物質(zhì)成分檢測。”

目前，紅外光譜儀的重量通常重達數(shù)公斤，生產(chǎn)成本高達數(shù)千歐元。弗勞恩霍夫電子納米系統(tǒng)研究所團隊表示，雖然重量稍輕的可移動光譜儀確實存在，但它們不適合大眾消費市場——無論是在成本和尺寸方面，還是在操作和分析結(jié)果呈現(xiàn)方面。

針對大眾消費市場存在的其他關(guān)鍵要求：技術(shù)不能過于復雜——換言之，它必須易于操作——并且批量生產(chǎn)方法必須適合大眾消費市場。

各種應用

光譜儀的潛在應用絕不僅限于識別假藥。“我們的光譜儀適用于各種用途——例如評估人類和動物的食物成熟度，測量室內(nèi)和車內(nèi)空氣質(zhì)量，檢測空氣、水或食品中的污染物?！盇lexander Wei?博士補充道。

與傳統(tǒng)的紅外光譜儀一樣，這款新型光譜儀也通過發(fā)射紅外范圍內(nèi)的光束來進行工作。然后利用可調(diào)濾光器將不同波長的光束分散，并通過集成波導將其傳導至檢測器。例如，具有納米結(jié)構(gòu)的光柵耦合器將待測試的藥丸反射的光束耦合到集成波導中。如果要檢測空氣質(zhì)量，則光束會進入集成在一個平面上的特殊吸收單元。

那么，弗勞恩霍夫電子納米系統(tǒng)研究所團隊如何如此大幅度地減小光譜儀的尺寸，但仍能實現(xiàn)光譜儀的通用功能呢？“傳統(tǒng)的光譜儀通常由眾多的分立元器件組成。另一方面，我們將光束引導、波長分散和檢測功能集成在一個平面上——因此我們也稱其為面內(nèi)光譜儀（inplane spectrometer）?！盇lexander Wei?博士說。

簡單又便宜

除了體積小，弗勞恩霍夫電子納米系統(tǒng)研究所還希望操作簡單直觀，因此光譜儀需要為用戶提供清晰的評估。研究人員已經(jīng)開發(fā)出一項技術(shù)：“智能”學習算法。“如果有很多人使用這項技術(shù)，光譜儀系統(tǒng)就會快速學習并進化?！盇lexander Wei?博士表示。

用戶只需要拿出智能手機，通過一款特殊的應用程序啟動光譜儀，然后把它放在測試樣品上即可。用戶還將看到指導他們完成檢測過程的說明。光譜儀自動生成光譜信息，軟件將其與數(shù)據(jù)庫中的參考光譜進行比較。

另一個癥結(jié)是生產(chǎn)光譜儀的成本。研究人員從一開始就考慮到了這一點。Alexander Wei?解釋說：“我們設計的光譜儀可以使用傳統(tǒng)的微系統(tǒng)工程技術(shù)實現(xiàn)廉價的批量生產(chǎn)。制造商可以使用大型晶圓代工廠的標準制造工藝。”

研究人員已經(jīng)生產(chǎn)了第一批光譜儀芯片，并提供了概念驗證?，F(xiàn)在多項不同的特征在研究議程上：各個元器件是否根據(jù)需要移動？耦合到波導中的光束是否按需要傳輸？這些表征所需的設備由德國微電子研究中心資助。該研究團隊表示，如果這些研究工作按預期進行，那么微型光譜儀可能會在兩年左右的時間內(nèi)進入大眾消費市場。