Die Erfindung eines mikroskopischen Spektralsensors, der unzählige Materialien mit beispielloser Genauigkeit identifizieren kann, wird unseren Ansatz in den Bereichen Gesundheitsversorgung, Lebensmittelsicherheit und mehr grundlegend verändern.
Stellen Sie sich Smartphones vor, die Krankheiten diagnostizieren, gefälschte Medikamente erkennen oder vor verdorbenen Lebensmitteln warnen können. Spektralsensorik ist eine leistungsstarke Technik, die Materialien identifiziert, indem sie analysiert, wie sie mit Licht interagieren, und Details enthüllt, die weit über das hinausgehen, was das menschliche Auge sehen kann.
Traditionell erforderte diese Technologie sperrige, teure Systeme, die auf Labore und industrielle Anwendungen beschränkt waren. Aber was wäre, wenn diese Fähigkeit so miniaturisiert werden könnte, dass sie in ein Smartphone oder ein tragbares Gerät passt?
Forscher der Aalto-Universität in Finnland haben miniaturisierte Hardware und intelligente Algorithmen kombiniert, um ein leistungsstarkes Werkzeug zu schaffen, das kompakt und kostengünstig ist und in der Lage ist, reale Probleme in Bereichen wie Gesundheitswesen, Lebensmittelsicherheit und autonomes Fahren zu lösen.
„Es ähnelt der Art und Weise, wie Künstler ihre Augen trainieren, um Hunderte subtiler Farben zu unterscheiden“, erklärt Professor und leitender Forscher Zhipei Sun. „Unser Gerät ist darauf trainiert, komplexe Lichtsignaturen zu erkennen, die für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar sind, und erreicht dabei eine Präzision, die mit den sperrigen Sensoren vergleichbar ist, die normalerweise in Labors zu finden sind.“
Im Gegensatz zu herkömmlichen Spektralsensoren, die große optische Komponenten wie Prismen oder Gitter erfordern, erreicht dieser Sensor eine spektrale Differenzierung durch seine elektrische Reaktion auf Licht, was ihn ideal für die Integration in kleine Geräte macht. Die Forscher demonstrierten ihre Fähigkeit, Materialien direkt anhand ihrer Lumineszenz zu identifizieren, darunter organische Farbstoffe, Metalle, Halbleiter und Dielektrika.
„Unser innovativer spektraler Sensoransatz vereinfacht Herausforderungen bei der Materialidentifizierung und Zusammensetzungsanalyse“, sagt Xiaoqi Cui, der Hauptautor der Studie, der kürzlich seine Doktorarbeit an der Aalto-Universität verteidigte. Die bemerkenswerte Innovation kombiniert abstimmbare optoelektronische Schnittstellen mit fortschrittlichen Algorithmen und eröffnet so neue Möglichkeiten für Anwendungen in der integrierten Photonik und darüber hinaus.
Während seines Trainings wurde das Gerät einer Vielzahl von Lichtfarben ausgesetzt, wodurch es „lernen“ und für jede Lichtart einzigartige elektrische Fingerabdrücke erzeugen konnte. Diese Fingerabdrücke werden dann von einem intelligenten Algorithmus entschlüsselt, sodass der Sensor Materialien genau identifizieren und ihre Eigenschaften anhand ihrer Wechselwirkung mit Licht analysieren kann.
Mit einer Größe von nur 5 Mikrometern mal 5 Mikrometern – einer Fläche, die 200-mal kleiner ist als der Querschnitt eines menschlichen Haares – erreicht das Gerät eine außergewöhnliche Spitzenwellenlängenerkennungsgenauigkeit von ~0,2 Nanometern und ermöglicht so die Unterscheidung Tausender Farben. Das Herzstück dieses Sensors ist eine sorgfältig entwickelte optoelektronische Schnittstelle, die eine präzise Steuerung des elektrischen Flusses durch Spannungsanpassungen ermöglicht. Diese außergewöhnliche Abstimmbarkeit ermöglicht es dem Sensor, auf vielfältige Weise mit Licht zu interagieren und so eine „mehrdimensionale Fotoreaktion“ zu erzeugen.
„Diese Arbeit ist ein großer Schritt vorwärts, um die spektroskopische Identifizierung für jedermann zugänglich zu machen“, erklärt der Doktorand und Mit-Erstautor Fedor Nigmatulin. „Durch die Integration dieser ultrakompakten Hardware mit intelligenten Algorithmen haben wir einen bedeutenden Schritt in Richtung tragbarer Miniaturspektrometer gemacht, die eines Tages die Unterhaltungselektronik revolutionieren könnten.“
Mit seiner bahnbrechenden Leistung, seinem anpassbaren Design und seiner Vielseitigkeit hofft das Forschungsteam, dass dieser winzige Sensor bald die Leistungsfähigkeit fortschrittlicher Spektroskopie in die Geräte bringen wird, die wir täglich verwenden.
Die Studie wurde am 22. online veröffentlichtnd Januar in Wissenschaftliche Fortschritte.
