Forschung -

Winziger Sensor bringt chemische Identifikation zum Smartphone

Stellen sie sich vor, sie zeigen ihr Smartphone auf einen salzigen Snack in ihrer Speisekammer und wissen sofort, ob dessen Zutaten noch genießbar sind.

Spektrometer können gefährliche Chemikalien auf der Grundlage eines einzigartigen "Fingerabdrucks" des absorbierten und emittierten Lichts erkennen. Aber diese Licht spaltenden Instrumente sind schon seit langer Zeit sowohl sperrig als auch teuer und verhindern ihren Einsatz außerhalb des Labors.

Bis jetzt. Ingenieure der University of Wisconsin-Madison entwickelten ein Spektrometer, das so klein und einfach ist, dass es sich mit einer Kamera in einem typischen Handy integrieren lässt, ohne die Genauigkeit zu beeinträchtigen.

"Dies ist ein kompaktes Spektrometer, das eine hohe Auflösung bei niedrigen Herstellungskosten bietet", sagte Zhu Wang, der zum Team der Elektroingenieure gehörte, die das Gerät entwickelten. Ihre Forschungsarbeit veröffentlichten die Forscher in "Nature Communications".

Die Sensorelemente des Teams verfügen auch über eine erweiterte Funktion namens hyperspektrale Bildgebung, die Informationen über jedes einzelne Pixel in einem Bild sammelt, um Materialien zu identifizieren oder bestimmte Objekte in einem komplizierten Hintergrund zu erkennen.

Hyperspektrale Messungen können beispielsweise dazu verwendet werden, um Flöze wertvoller Mineralien in Gesteinen zu erkennen oder um bestimmte Pflanzen in einem stark bewachsenen Gebiet zu identifizieren.

Der spektrale Fingerabdruck jedes Elements beinhaltet einzigartige emittierte oder absorbierte Wellenlängen des Lichts - und die Fähigkeit des Spektrometers, dieses Licht zu 'erkennen'.

Das ist es, was es Forschern ermöglicht, alles zu tun - von der Analyse der Zusammensetzung unbekannter Materialverbindungen bis hin zur Entdeckung der Kompositionen entfernter Sterne.

Spektrometer basieren in der Regel auf Prismen oder Gittern, um das von einem Objekt emittierte Licht in diskrete Bänder aufzuteilen - jedes entsprechend einer anderen Wellenlänge.

Der Fotodetektor einer Kamera kann diese Bänder erfassen und analysieren. Der spektrale Fingerabdruck beispielsweise des Elements Natrium besteht aus zwei Bändern mit Wellenlängen von 589 nm und 590 nm.

Das menschliche Auge sieht das Licht der Wellenlänge 590 nm als gelblich-orangefarbenen Farbton. Kürzere Wellenlängen entsprechen dem Blau und Violett, während längere Wellenlängen rot erscheinen. Das Sonnenlicht enthält einen kompletten Regenbogen, dessen Farben miteinander vermischt sind, den wir als Weiß sehen.

Um den Unterschied einer Mischung mit verschiedenen Farben aufzulösen, müssen Spektrometer in der Regel relativ groß sein und eine lange 'Wegstrecke' aufweisen, damit Lichtstrahlen wandern und sich trennen können.

Doch das Team schuf winzige Spektrometer mit einer Seitenlänge von nur 200 µm (etwa ein Zwanzigstel der Fläche einer Kugelschreiberspitze), die empfindlich genug sind, um direkt auf dem Sensor einer typischen Digitalkamera zu liegen.

Diese geringe Größe war möglich, weil die Forscher ihr Element auf speziell entwickelten Materialien basierten, die das einfallende Licht dazu zwangen, mehrmals hin und her zu springen, bevor es den Sensor erreichte.

Diese internen Reflexionen verlängerten den Weg, auf dem sich das Licht bewegte, ohne weitere Masse hinzuzufügen, und erhöhten damit die Auflösung des Sensors.

Und die Sensorelemente führten eine hyperspektrale Bildgebung durch, indem sie zwei verschiedene Bilder (der Zahlen 5 und 9) aus einer Momentaufnahme einer überlagerten Projektion auflösten, die das Paar zu etwas kombinierte, das für das bloße Auge nicht unterscheidbar war.

Nunmehr hofft das Team, die spektrale Auflösung des Sensors sowie die Klarheit und Schärfe der aufgenommenen Bilder zu verbessern. Diese Modifikationen könnten den Weg zu Sensoren mit höherer Performance ebnen.

Zu Yus Mitarbeitern an der UW-Madison gehörten Professor Mikhail Kats, Soongyu Yi, Ang Chen, Ming Zhou, Graham Joe und Alireza Shahsafi. Hinzu kamen Ken Xingze Wang von der 'Huazhong University of Science and Technology' und Ting Shan Luk, Anthony James, John Nogan und Willard Ross von den 'Sandia National Laboratories'. Dieses Forschungsprojekt wurde von der National Science Foundation und der Defense Advanced Research Projects Agency unterstützt.

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