Převratný čip za 10 dolarů: Nový spektrometr umožní přesnou chemickou analýzu v reálném čase pro nositelnou elektroniku

Vědci z Cambridgeské univerzity a startupu GlitterinTech představili zásadně nový typ optického spektrometru, který nabízí laboratorní přesnost v zařízení dostatečně malém pro integraci do přenosných a nositelných technologií.

Vědci z Cambridgeské univerzity a startupu GlitterinTech představili zásadně nový typ optického spektrometru, který nabízí laboratorní přesnost v zařízení dostatečně malém pro integraci do přenosných a nositelných technologií. Přepracováním způsobu měření a zpracování spekter se týmu podařilo vytvořit spektrometr o velikosti několika centimetrů, s cenou kolem 10 dolarů, schopný širokého spektra aplikací od průmyslové kontroly kvality až po monitorování zdraví v reálném čase.

Optické spektrometry jsou základem mnoha technologií, od chemické analýzy a výroby po environmentální senzory a medicínu. Zmenšování těchto přístrojů však dosud vždy znamenalo kompromisy – miniaturizovaná zařízení obvykle obětovala šířku pásma, rozlišení nebo přesnost, což je omezovalo spíše na hrubou identifikaci než na skutečná metrologická měření. Nově představený konvoluční spektrometr tyto překážky překonává zavedením elegantního operačního principu založeného na konvolučním teorému, čímž nabízí bezprecedentní výkonnostní parametry ve srovnání se stávajícími disperzními, Fourierovými a rekonstrukčními spektrometry.

Na rozdíl od konvenčních spektrometrů, které se spoléhají na rozptyl světla nebo algoritmickou rekonstrukci pro získání spekter, konvoluční spektrometr fyzicky provádí konvoluční operaci na dopadajícím světle. Toho je dosaženo pomocí jednoduché kaskády optických komponent s periodickými spektrálními odezvami, jako jsou nevyvážené Mach-Zehnderovy interferometry nebo mikro-kruhové rezonátory. Proporcionálním laděním těchto komponent systém lineárně posouvá svou spektrální odezvu, což umožňuje přesné získání spektra pomocí rychlých Fourierových transformací. Zařízení, implementované na fotonické integrační platformě z nitridu křemíku a vybavené integrovanou elektronikou, pracuje v ultraširokém blízkém infračerveném rozsahu (1 200–1 700 nm) s dobou vzorkování a zpracování pod jednu sekundu. Jeho periodická povaha umožňuje téměř neomezené rozšíření šířky pásma ve spektrální oblasti bez změny hardwaru, zatímco rozlišení lze exponenciálně škálovat kaskádováním dalších komponent.

Tým demonstroval výkon spektrometru v působivé řadě reálných aplikací. V analýze materiálů a potravin zařízení klasifikovalo plasty, léčiva, kávu, mouku a čaj se 100% úspěšností. Rovněž kvantifikovalo koncentrace ve vodných a organických roztocích s přesností kolem 0,01 %, čímž překonalo komerční laboratorní spektrometry. Možná nejvíce překvapivě systém umožnil neinvazivní snímání lidských biomarkerů za realistických fyziologických podmínek. Měření vlhkosti kůže, alkoholu v krvi, laktátu v krvi a glukózy v krvi vykázala vysokou přesnost, přičemž sledování glukózy bylo demonstrováno po delší dobu u jednoho účastníka. Zařízení zůstalo stabilní v teplotním rozsahu od minus 20 °C do 80 °C, což je úroveň robustnosti, které se u miniaturizovaných spektrometrů dosahuje jen zřídka a která je nezbytná pro nasazení v nositelných, průmyslových nebo venkovních podmínkách.