Vědci zmenšili laboratorní spektrometr na velikost zrnka písku

Nový čipový spektrometr zpochybňuje dlouhodobou závislost na objemných optických systémech tím, že nahrazuje fyzickou separaci světla výpočetní rekonstrukcí. Tento miniaturní senzor, umístěný na špičce prstu, nahrazuje objemné laboratorní vybavení. Využívá povrchové nanostruktury zachycující fotony a umělou inteligenci (AI) k přesné analýze nemocí, kontrole kvality potravin a detekci znečištění s využitím viditelného i blízkého infračerveného světla.

Po celá desetiletí se analýza chemického složení materiálů, ať už pro lékařskou diagnózu, kontrolu potravin nebo monitorování znečištění, spoléhala na velké a nákladné laboratorní přístroje známé jako spektrometry. Tyto systémy fungují tak, že rozkládají světlo na jeho barevné složky pomocí hranolu nebo mřížky a poté měří intenzitu každé vlnové délky. Protože tento proces vyžaduje, aby světlo urazilo relativně dlouhou vzdálenost, bývají tyto přístroje objemné a obtížně se zmenšují.

Výzkumníci z University of California, Davis, nyní zvolili jiný přístup k miniaturizaci. Ve studii publikované v časopise Advanced Photonics popisují spektrometr zmenšený na velikost zrnka písku. Tento kompaktní spektrometr na čipu je navržen pro integraci do přenosných zařízení. Místo fyzického rozdělení světla do spektra se systém spoléhá na výpočetní rekonstrukci.

Čip nahrazuje tradiční optiku pouhými 16 křemíkovými detektory, z nichž každý je naladěn tak, aby reagoval na přicházející světlo mírně odlišně. Tyto detektory společně zachycují překrývající se signály, které kódují původní spektrum. Tento proces je podobný tomu, jako by několik senzorů vzorkovalo různé prvky smíšeného signálu, přičemž úplný obraz se objeví až po analýze. Tato analýza se provádí pomocí umělé inteligence (AI).

Rozšíření schopností křemíku
Návrh závisí na dvou klíčových pokrocích. Za prvé, vědci modifikovali standardní křemíkové fotodiody přidáním povrchových textur zachycujících fotony (PTST – photon-trapping surface textures). Zatímco křemík je vhodný pro detekci viditelného světla, je mnohem méně účinný v blízké infračervené oblasti NIR – near-infrared (vlnové délky až 1100 nm, asi 1,1 mikrometru), což je důležité pro aplikace, jako je biomedicínské zobrazování, protože proniká tkání účinněji než viditelné světlo.

Zatímco standardní objemné spektrometry ztrácejí citlivost v blízké infračervené oblasti (obrázek nahoře), tento nový miniaturní čip využívá specializované povrchové textury a umělou inteligenci k detekci signálů, které jsou normálně neviditelné (dole). Data demonstrují toto zvýšení výkonu a ukazují jasné detekční píky nad 950 nanometry, zatímco konvenční křemíková zařízení stagnují. Tato inovace umožňuje senzoru menšímu než milimetr provádět komplexní analýzu světla, která byla dříve možná pouze s objemným laboratorním vybavením.

Tyto upravené povrchové textury způsobují, že se přicházející fotony blízkého infračerveného záření rozptylují uvnitř tenké křemíkové vrstvy, místo aby jí procházely. V důsledku toho se zvyšuje pravděpodobnost absorpce, což umožňuje čipu detekovat širší rozsah vlnových délek.

Systém také obsahuje vysokorychlostní senzory schopné měřit životnost fotonů s velmi vysokou přesností. To umožňuje zařízení zachytit extrémně rychlé interakce světla a hmoty, které konvenční spektrometry nedokážou rozlišit.

Řešení pomocí umělé inteligence
Druhou hlavní součástí je plně propojená neuronová síť. Protože detektory produkují nepřímé a zašuměné signály namísto jasného spektra, musí se umělá inteligence naučit, jak je interpretovat. Je trénována na velkých datových sadách, aby mapovala výstupy detektorů zpět na původní světelné spektrum.

Řešením tohoto „inverzního problému“ dokáže systém rekonstruovat spektrální informace s rozlišením přibližně 8 nm. Tento přístup odstraňuje potřebu hranolů, mřížek a dalších objemných optických komponent.

Hotové zařízení zabírá pouhých 0,4 mm2, přesto nabízí vysokou citlivost a silnou odolnost vůči šumu. Dokáže udržovat přesné hodnoty i v prostředích se značným elektrickým rušením, které je často omezením pro kompaktní a levnou elektroniku. Rozšířením citlivosti křemíku do oblasti blízkého infračerveného záření a jeho kombinací se strojovým učením otevírá tato technologie dveře k hyperspektrálnímu snímání v reálném čase v oblastech, jako je lékařská diagnostika a monitorování životního prostředí.

Zdroj: https://scitechdaily.com/scientists-shrink-a-lab-spectrometer-to-the-size-of-a-grain-of-sand/

autor: František Martinek