QD спектрометр
Подходы к спектрометрам имеют сложные системы для создания необходимых оптических структур. Здесь, в подходе QD — спектрометра, оптическая структура — QD-фильтры-генерируется путем печати капель жидкости. Новый прибор достаточно мал, чтобы функционировать в смартфоне, позволяя проводить портативный анализ освещенности.
Пресс-служба Массачусетского технологического института
Дата публикации : 1 июля 2015 года
Приборы, измеряющие свойства света, известные как спектрометры, широко используются в физических, химических и биологических исследованиях. Эти устройства обычно слишком велики, чтобы быть портативными, но ученые Массачусетского технологического института теперь показали, что они могут создавать спектрометры, достаточно маленькие, чтобы поместиться внутри камеры смартфона, используя крошечные полупроводниковые наночастицы, называемые квантовыми точками.
Такие устройства могут использоваться для диагностики заболеваний, особенно кожных заболеваний, или для обнаружения загрязняющих веществ окружающей среды и пищевых продуктов, говорит Цзе Бао, бывший постдок Массачусетского технологического института и ведущий автор статьи, описывающей спектрометры с квантовыми точками в выпуске Nature от 2 июля.
Эта работа также представляет собой новое приложение для квантовых точек, которые использовались в основном для маркировки клеток и биологических молекул, а также на компьютерных и телевизионных экранах.
“Использование квантовых точек для спектрометров-такое простое приложение по сравнению со всем остальным, что мы пытались сделать, и я думаю, что это очень привлекательно”, - говорит Мунги Бавенди, профессор химии Лестера Вулфа в Массачусетском технологическом институте и старший автор статьи.
Самые ранние спектрометры состояли из призм, разделяющих свет на составляющие его длины волн, в то время как современные модели используют оптическое оборудование, такое как дифракционные решетки, для достижения того же эффекта. Спектрометры используются в широком спектре применений, таких как изучение атомных процессов и уровней энергии в физике или анализ образцов тканей для биомедицинских исследований и диагностики.
Замена этого громоздкого оптического оборудования квантовыми точками позволила команде MIT уменьшить спектрометры примерно до размера квартала США и воспользоваться некоторыми из присущих квантовым точкам полезных свойств.
Квантовые точки, тип нанокристаллов, открытых в начале 1980-х годов, образуются путем сочетания таких металлов, как свинец или кадмий, с другими элементами, включая серу, селен или мышьяк. Контролируя соотношение этих исходных материалов, температуру и время реакции, ученые могут генерировать почти неограниченное количество точек с различиями в электронном свойстве, известном как полоса пропускания, которая определяет длины волн света, которые будет поглощать каждая точка.
Однако большинство существующих приложений для квантовых точек не используют преимущества этого огромного диапазона поглощения света. Вместо этого большинство приложений, таких как маркировка клеток или новые типы телевизионных экранов, используют флуоресценцию квантовых точек — свойство, которое гораздо сложнее контролировать, говорит Бавенди. “Очень трудно сделать что-то, что очень ярко флуоресцирует”, - говорит он. “Вы должны защитить точки, вы должны выполнить всю эту инженерную работу”.
Ученые также работают над солнечными элементами на основе квантовых точек, которые полагаются на способность точек преобразовывать свет в электроны. Однако это явление недостаточно изучено, и им трудно манипулировать.
С другой стороны, свойства поглощения квантовых точек хорошо известны и очень стабильны. “Если мы сможем положиться на эти свойства, то сможем создавать приложения, которые окажут большее влияние в относительно краткосрочной перспективе”, - говорит Бао.
Новый спектрометр с квантовыми точками использует сотни материалов с квантовыми точками, каждый из которых фильтрует определенный набор длин волн света. Фильтры квантовых точек печатаются на тонкой пленке и помещаются поверх фотоприемника, такого как устройства с зарядовой связью (CCDS), используемые в камерах мобильных телефонов.
Исследователи создали алгоритм, который анализирует процент фотонов, поглощенных каждым фильтром, а затем рекомбинирует информацию от каждого из них, чтобы рассчитать интенсивность и длину волны исходных лучей света.
Чем больше материалов с квантовыми точками, тем больше длин волн можно охватить и получить более высокое разрешение. В этом случае исследователи использовали около 200 типов квантовых точек, расположенных в диапазоне около 300 нанометров. С большим количеством точек такие спектрометры могут быть сконструированы таким образом, чтобы охватывать еще более широкий диапазон световых частот.
“Бавенди и Бао показали прекрасный способ использования контролируемого оптического поглощения полупроводниковых квантовых точек для миниатюрных спектрометров. Они демонстрируют спектрометр, который не только мал, но и обладает высокой пропускной способностью и высоким спектральным разрешением, чего никогда раньше не достигалось”, - говорит Фэн Ван, доцент физики Калифорнийского университета в Беркли, который не принимал участия в исследованиях.
Если этот тип спектрометра встроить в небольшие портативные устройства, его можно будет использовать для диагностики кожных заболеваний или анализа образцов мочи, говорит Бао. Они также могут использоваться для отслеживания жизненно важных показателей, таких как пульс и уровень кислорода, или для измерения воздействия различных частот ультрафиолетового света, которые сильно различаются по своей способности повреждать кожу.
“Центральный компонент таких спектрометров — матрица фильтров с квантовыми точками — изготавливается с использованием обработки и печати на основе решений, что позволяет значительно снизить потенциальные затраты”,-добавляет Бао.
Исследование финансировалось Институтом солдатских нанотехнологий Массачусетского технологического института.
ПОДЕЛИТЕСЬЭТОЙ НОВОСТНОЙ СТАТЬЕЙ НА:
УПОМИНАНИЯ В ПРЕССЕ
Проводная
Репортер Wired Джеймс Темпертон пишет, что исследователи Массачусетского технологического института создали портативный спектрометр, который достаточно мал, чтобы поместиться внутри смартфона. Спектрометр может быть использован для диагностики заболеваний, “анализа образцов мочи, проверки пульса и уровня кислорода и измерения загрязняющих веществ в окружающей среде”, - объясняет Темпертон.
Популярная наука
Исследователи Массачусетского технологического института разработали спектрометр с квантовыми точками, который достаточно мал, чтобы поместиться в смартфон, сообщает Александра Оссола для Popular Science. “Наличие всей этой вычислительной мощности на ладонях может помочь ученым диагностировать заболевания (особенно кожные заболевания), проверять образцы мочи или выявлять пищевые загрязнения”, - пишет Оссола.
Полная история через популярную науку →
ССЫЛКИ ПО ТЕМЕ
- Статья: “Нанотехнологии: создание мини-спектрометров с квантовыми точками”
- Мунги Бавенди
- Кафедра химии
- Научная школа