據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，近期，來(lái)自埃因霍芬理工大學(xué)（Technische Universiteit Eindhoven，以下簡(jiǎn)稱(chēng)：TU/e）的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新型近紅外（NIR）光譜傳感器，該傳感器易于制造，并且尺寸與智能手機(jī)中的傳感器相當(dāng)，可用于工業(yè)過(guò)程監(jiān)測(cè)及農(nóng)業(yè)相關(guān)應(yīng)用。這一突破性的研究成果已發(fā)表于Nature Communications期刊。
荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的微型近紅外光譜傳感器
人眼是一種神奇的“傳感器”，它利用3種感光細(xì)胞，將可見(jiàn)光轉(zhuǎn)換成大腦可以理解的“顏色”信號(hào)，為我們提供周?chē)澜绲幕拘畔ⅰ?
該研究的共同第一作者、TU/e應(yīng)用物理系光子和半導(dǎo)體納米物理研究組的博士研究員Kaylee Hakkel解釋道：“當(dāng)我們的大腦將這些顏色信號(hào)放在一起時(shí)，它會(huì)根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)對(duì)這些信號(hào)的含義做出判斷。例如，紅色草莓很甜，綠色草莓不甜。”
傳感器小型化至關(guān)重要
雖然人眼很神奇，但它并不是最先進(jìn)的自然光傳感器。“螳螂蝦的眼睛擁有多達(dá)16種感光細(xì)胞，它們對(duì)紫外線(xiàn)、可見(jiàn)光和近紅外光敏感。”Kaylee Hakkel說(shuō)道，“紅外光譜傳感對(duì)于工業(yè)和農(nóng)業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)非常有價(jià)值，但面臨一個(gè)主要問(wèn)題，目前常用的近紅外光譜儀通常體型較大且價(jià)格昂貴。”
Kaylee Hakkel及其團(tuán)隊(duì)通過(guò)開(kāi)發(fā)一種可集成于小型芯片的近紅外傳感器解決了上述問(wèn)題。類(lèi)似螳螂蝦的眼睛，它有16種不同的傳感器單元，但是都對(duì)近紅外敏感。Kaylee Hakkel說(shuō)：“在滿(mǎn)足傳感器小型化的同時(shí)保持低成本是比較困難的。為此，我們開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)新的晶圓級(jí)制造工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。”
螳螂蝦獨(dú)特的眼睛
“這項(xiàng)開(kāi)發(fā)成本很低，因?yàn)槲覀兛梢耘可a(chǎn)眾多傳感器，并且目前已做好開(kāi)展實(shí)際應(yīng)用的準(zhǔn)備。”Kaylee Hakkel補(bǔ)充道，“該傳感器芯片尺寸很小，甚至未來(lái)可以嵌入智能手機(jī)中。”
TU/e應(yīng)用物理系和Hendrik Casimir研究所對(duì)Kaylee Hakkel研究團(tuán)隊(duì)的工作成果感到很欣慰。“多年來(lái)，我們一直在開(kāi)展這項(xiàng)技術(shù)研究。現(xiàn)在，我們已經(jīng)成功地將諧振腔增強(qiáng)（RCE）光譜傳感單元陣列集成在一個(gè)芯片上，同時(shí)還解決了另一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題——數(shù)據(jù)的高效利用。”
諧振腔增強(qiáng)（RCE）多像素陣列的光譜傳感機(jī)制
通常，當(dāng)傳感器檢測(cè)光線(xiàn)時(shí)，生成的信號(hào)被用來(lái)重建材料的光譜或光學(xué)指紋，之后再利用傳感算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
研究人員表示，這種新的設(shè)計(jì)方法，不需要進(jìn)行光譜重建。換言之，傳感器產(chǎn)生的信號(hào)可以直接發(fā)送至分析算法。這項(xiàng)研究的共同作者Andrea Fiore說(shuō)：“這極大地簡(jiǎn)化了光譜分析設(shè)備的設(shè)計(jì)要求。”
利用新型紅外光譜傳感器分析牛奶和塑料
研究人員通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)對(duì)該新型紅外光譜傳感器進(jìn)行了測(cè)試。這項(xiàng)研究的共同第一作者M(jìn)aurangelo Petruzzella，目前在初創(chuàng)公司MantiSpectra工作，他解釋道：“我們利用這款傳感器檢測(cè)了包括牛奶在內(nèi)的多種物質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)特性。在預(yù)測(cè)牛奶的脂肪含量方面，該傳感器的精準(zhǔn)度可與傳統(tǒng)光譜儀相當(dāng)。另外，我們還可以利用該傳感器對(duì)不同類(lèi)型的塑料進(jìn)行分類(lèi)。”
牛奶樣品中的光譜傳感試驗(yàn)
牛奶的營(yíng)養(yǎng)特性決定其經(jīng)濟(jì)價(jià)值，該傳感器已被證實(shí)可以準(zhǔn)確地測(cè)量這些特性，基于這些測(cè)量結(jié)果還可以監(jiān)測(cè)奶牛的健康狀況。此外，利用該傳感器對(duì)塑料進(jìn)行分類(lèi)，將有助于優(yōu)化垃圾分類(lèi)過(guò)程。
Maurangelo Petruzzella表示：“除了上述應(yīng)用，該光譜傳感器還將用于個(gè)性化醫(yī)療保健、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)（例如監(jiān)測(cè)水果和蔬菜成熟度）、工業(yè)過(guò)程控制和芯片實(shí)驗(yàn)室（lab-on-chip）測(cè)試。我們現(xiàn)在有基于該項(xiàng)技術(shù)的完整開(kāi)發(fā)套件——SpectraPod，很多公司和研究團(tuán)隊(duì)利用它來(lái)構(gòu)建應(yīng)用程序。最棒的是，該傳感器未來(lái)甚至可以在智能手機(jī)中普及，這意味著人們可以在家里用它來(lái)監(jiān)測(cè)食物質(zhì)量或健康狀況。”
TU/e孕育出光譜傳感公司MantiSpectra
對(duì)于Kaylee Hakkel來(lái)說(shuō)，未來(lái)的道路是充滿(mǎn)期待的，她今年1月14日完成博士論文答辯之后，將加入Maurangelo Petruzzella所在的創(chuàng)業(yè)公司MantiSpectra，他們將共同努力把該傳感器推向更多的實(shí)際應(yīng)用之中。Kaylee Hakkel說(shuō)：“我很高興加入MantiSpectra，一起推動(dòng)光譜傳感器下一步的開(kāi)發(fā)工作。該傳感器將有助于創(chuàng)造更清潔的環(huán)境，并解決食物浪費(fèi)的問(wèn)題，這些應(yīng)用對(duì)每個(gè)人都很重要。”
相關(guān)論文：https://doi.org/10.1038/s41467-021-27662-1
