自助下单地址（拼多多砍价，ks/qq/dy赞等业务）：点我进入

2cm左右的芯片就能准确分析红外光谱

苏黎世联邦理工学院 (ETH Zurich) 的研究人员开发了一种紧凑型红外光谱仪。 它小到可以集成在计算机芯片上，但它的性能仍然可以为太空和日常生活中的应用开辟许多有趣的可能性。

如今，智能手机几乎可以执行任何功能：拍照或录像、发送消息、确定当前位置以及进行视频通话等等。 当与 ETH 研究人员开发的这种多功能紧凑型红外光谱仪结合使用时，我们的智能手机甚至可以确定啤酒的酒精含量或一份水果的成熟度。

乍一看，使用智能手机进行化学分析似乎是一个大胆的想法。 由于目前能够进行此类化学分析的红外光谱仪通常重达几公斤到几十公斤，很难将它们集成到手持设备中。 由苏黎世联邦理工学院物理系光学纳米材料教授 Rachel Grange 领导的研究团队现已朝着这一愿景迈出了重要一步，David Pohl 和 Marc Reig Escalé 与其他同事合作开发了一种芯片，其测量值仅约为2平方厘米。 使用该芯片，他们可以像使用传统光谱仪一样分析红外光。

波导代替镜子

传统光谱仪的入射光通过分光系统在一定的空间内有规律地分离，再经反射镜反射，然后将反射光束重新组合并通过光电探测器进行测量。 移动其中一个镜子会产生干涉图案，从而可以确定入射光中不同波长的比例。 由于每种化学物质都有其独特的红外吸收特征，科学家可以使用由此产生的光谱来识别测试样品中存在的物质和浓度。

ETH 研究人员开发的微型光谱仪也利用了相同的原理。 然而，在他们开发的设备中，入射光不再借助可移动的镜子进行分析。 他们使用了一种特殊的波导，其光学折射率可以通过外部电场进行调整。 “改变折射率与移动镜子有相似的效果，因此这种设计使我们能够以相同的方式分离入射光谱，”Pohl 解释道。

具有挑战性的结构化流程

根据波导的配置，研究人员可以检测到光谱的不同部分。 “理论上，只要正确配置波导，我们的微型光谱仪不仅可以测量红外光，还可以测量可见光，”Escalé 说。 与只能覆盖窄光谱范围的其他集成光谱仪相比，Grange 团队开发的设备具有一大优势，因为它可以轻松实现宽光谱分析。

除了体积小之外，ETH 物理学家的创新还有另外两个优势：与需要不断重新校准的传统设备相比，“片上光谱仪”只需校准一次； 移动部件，因此更耐用，需要更少的维护。

ETH 研究人员在这种片上光谱仪中使用了一种材料光纤光谱仪的原理，这种材料也被用作电信行业的调制器。 该材料具有许多积极的特性，但作为波导，它将光限制在内部。 这个缺点使它不太理想，因为只有在部分引导光可以逃逸的情况下才能进行测量。 为此，科学家们设计了一种精细的金属结构来连接波导，将光散射到设备外部。 “需要在洁净室中进行大量工作才能按照我们需要的方式构建材料，”Grange 解释道。

非常适合太空应用

尽管如此，要将这种微型光谱仪实际集成到移动设备或其他电子设备中，仍需要进行一些技术改进。 “目前，我们需要使用外部传感器来测量信号。因此，如果我们想要构建一个完整的紧凑型设备，我们还需要集成相应的检测器，”Grange 说。

最初，研究人员的目标不是化学分析，而是一个完全不同的应用——天文学研究，其中红外光谱仪可以提供有关遥远天体的重要信息。 由于地球大气层吸收了大量的红外线光纤光谱仪的原理，因此这些仪器需要放置在太空中的卫星或望远镜上。 这种小巧、轻便、稳定的微型光谱仪运往太空显然相对更加经济，自然具有很大的优势。