Olcsó chip-alapú eszköz átalakíthatja a spektrometriát

A spektrométerek - olyan eszközök, amelyek megkülönböztetik a fény különböző hullámhosszait, és amelyek felhasználják a kémiai összetétel meghatározását a laboratóriumi anyagoktól a távoli csillagokig - nagy számú, hat számjegyű árcédulák, és általában a nagy egyetemi és ipari laboratóriumokban vagy obszervatóriumokban találhatók. Az MIT kutatói által tett új előrelépés lehetővé tenné olyan apró spektrométerek előállítását, amelyek ugyanolyan pontosak és nagy teljesítményűek, de a tömeggyártás a szokásos módon történhet ...
Vera G. Atwood 2019. január 22
https://reputec.com/wp-content/uploads/2019/01/Inexpensive-chip-based-device-may-transform-spectrometry.jpg

A spektrométerek - olyan eszközök, amelyek megkülönböztetik a fény különböző hullámhosszait, és amelyek felhasználják a kémiai összetétel meghatározását a laboratóriumi anyagoktól a távoli csillagokig - nagy számú, hat számjegyű árcédulák, és általában a nagy egyetemi és ipari laboratóriumokban vagy obszervatóriumokban találhatók.

Az MIT kutatói által tett új előrelépés lehetővé tenné olyan apró spektrométerek előállítását, amelyek ugyanolyan pontosak és nagy teljesítményűek, de a szokásos forgácsgyártási eljárások alkalmazásával tömegesen előállíthatók. Ez a megközelítés új felhasználásokat nyithatna meg a spektrometria számára, amely korábban fizikailag és pénzügyi szempontból lehetetlen lett volna.

A találmányt ma a folyóirat ismerteti Természetkommunikáció , az MIT Juejun Hu anyagtudományi és mérnöki egyetemi docens, Kita Derek doktori hallgató, Brando Miranda kutatási asszisztens és öt másik személy tanulmányában.

A kutatók szerint a spektrométerek chipkészítésén alapuló új megközelítés a jelenlegi műszerekhez képest nagy előnyeket jelenthet a teljesítmény, méret, súly és energiafogyasztás szempontjából.

Más csoportok megkíséreltek chip alapú spektrométereket készíteni, de van egy beépített kihívás: Az eszköz képessége, hogy bármely hagyományos optikai rendszer segítségével a hullámhossz alapján eloszlassa a fényt, nagymértékben függ az eszköz méretétől. "Ha kisebbre teszi, akkor a teljesítmény romlik" - mondja Hu.

Egy másik típusú spektrométer matematikai megközelítést alkalmaz, Fourier-transzformációnak nevezik. De ezeket az eszközöket továbbra is ugyanolyan méretű korlátozások korlátozzák - hosszú optikai útvonalak nélkülözhetetlenek a nagy teljesítmény eléréséhez. Mivel a nagyteljesítményű eszközöknek hosszú, hangolható optikai úthosszra van szükségük, a miniatürizált spektrométerek hagyományosan alacsonyabbak voltak, mint benchtop társaik.

Ehelyett „más technikát használtunk” - mondja Kita. Rendszerük optikai kapcsolókon alapszik, amelyek azonnal fényszórót bocsáthatnak ki a különféle hosszúságú optikai útvonalak között. Ezek a teljesen elektronikus optikai kapcsolók kiküszöbölik a mozgatható tükrök szükségességét, amelyre a jelenlegi verziókban szükség van, és a standard forgácskészítési technológiával könnyen elkészíthetők.

A mozgó alkatrészek kiküszöbölésével Kita szerint „óriási előnye van a robusztusság szempontjából. Le is dobhatja az asztalról, anélkül, hogy kárt okozna. ”

Az úthosszok felhasználásával két energiájú növekményben ezeket a hosszokat különféle módokon lehet kombinálni, hogy megismételjék a diszkrét hosszúságok exponenciális számát, és ez potenciális spektrális felbontást eredményez, amely exponenciálisan növekszik a chip-on optikai kapcsolók számával. Ugyanez az elv teszi lehetővé az egyensúlymérleg számára a súlyok széles skálájának pontos mérését, csak kis számú standard súly kombinálásával.

A koncepció bizonyításaként a kutatók egy ipari szabványú félvezető gyártási szolgáltatást kötöttek egy hat szekvenciális kapcsolóval rendelkező eszköz felépítésére, amely 64 spektrális csatornát állít elő, és beépített feldolgozási képességgel rendelkezik az eszköz vezérlésére és annak kimenetének feldolgozására. 10 kapcsolóra történő kiterjesztéssel a felbontás 1024 csatornára ugrik. A készüléket plug-and-play egységként tervezték, amelyet könnyen integrálhatnak a meglévő optikai hálózatokba.

A csapat új gépi tanulási technikákat is alkalmazott a részletes spektrumok korlátozott számú csatornából rekonstruálására. A kifejlesztett módszer jól működik mind a széles, mind a keskeny spektrumcsúcsok kimutatására - mondja Kita. Meg tudták mutatni, hogy teljesítménye valóban megfelel a számításoknak, és ezáltal számos további fejlesztési lehetőséget nyit meg a különféle alkalmazásokhoz.

A kutatók szerint az ilyen spektrométerek alkalmazást találhatnak érzékelőberendezésekben, anyaganalízis rendszerekben, optikai koherens tomográfiában az orvosi képalkotásban és az optikai hálózatok teljesítményének nyomon követésében, amelyekre a mai digitális hálózatok nagy része támaszkodik. A csapattal már kapcsolatba lépett néhány olyan társaság, amely érdeklődik az ilyen mikrochip-spektrométerek lehetséges felhasználása iránt, ígéretet téve a méret, súly és energiafogyasztás hatalmas előnyeire - mondja Kita. Érdekli az ipari folyamatok valós idejű nyomon követésének iránti érdeklődés, hozzáteszi Hu, valamint az ipar, például az olaj és a gáz környezetvédelmi érzékelése.

Ez a munka „nagyon érdekes megközelítés, mivel lehetővé teszi nagy felbontású spektrométer kis méretű lábnyomon való megvalósítását” - mondja Gunther Roelkens, a belgiumi Gent Egyetem professzora, aki nem volt kapcsolódva ehhez a kutatáshoz. "Ez az eszköz olyan alkalmazásokat tesz lehetővé, mint például a chip-spektroszkópiai érzékelők, amelyek forró kutatási téma."

"A jövőbeli kutatás kihívása az lesz, hogy meghosszabbítsuk a hullámhossz-lefedettséget, miközben ugyanazt a felbontást megőrizzük" - tette hozzá Roelkens. "Ezenkívül a különböző hullámhossz-sávok címe sok új alkalmazást tesz lehetővé."

A csoportba tartoztak még az MIT egyetemi hallgató David Favela, Jérôme Michon végzős hallgató, a volt posztdoktor Hongtao Lin, Tian Gu kutató és David Bono munkatárs. A kutatást a Nemzeti Tudományos Alapítvány, a MIT SENSE.nano, az Egyesült Államok Energiaügyi Tanszéke és a Saks Kavanaugh Alapítvány támogatta.