走在大街上，想喝奶茶了？先别急，拿出你的手机，打开摄像头，让微型光谱仪工作起来——它会告诉你眼前这杯饮料的含糖量。
对，不要再欺骗自己了。当你的手机成了一个移动的食品检测光谱仪，你会发现很多美味食物的残酷真相——好吃，但胖人；好看，但不新鲜。
光谱仪还能检测出食物中的更多成分，比如有没有重金属残留。
当然，这样的微型光谱仪还没有问世，不过它的实验室产品已经出炉。
北京时间9月6日，《科学》杂志发表了一项最新研究成果——主要由一根比人类头发千分之一还细的半导体纳米线组成的微型光谱仪，其大小仅为市面上最小光谱仪的千分之一左右。
该研究由中国、英国、芬兰等国科研人员合作完成。
去掉色散元件，重新定义光谱仪
光谱仪是什么？
还是要说回到1666年，年轻的牛顿，拿了面三棱镜，发现了太阳光的秘密——看起来平淡无奇的太阳光被折射后是彩色的。
“这个实验为光谱仪的诞生播下了种子。” 论文第一作者、剑桥大学石墨烯中心博士后、剑桥大学国王学院研究员杨宗银介绍，现在大部分光谱仪的工作原理和牛顿的实验类似，也就是用棱镜或者光栅这种色散元件对入射光进行分光，然后在后方放置一个光探测器阵列，来测量不同光谱谱线的强度。
借助光谱仪，可以快速进行食物成分的分析。就拿牛奶来说，其含有的每种成分都有相应的光谱信号。水、乙醇和糖……它们的吸收光谱和拉曼光谱都不一样。因此，就能通过光谱了解牛奶的成分比例，还能知道它是否含有某些有害添加剂。“如果我们在日常生活中能及时获得物质的光谱信息，对世界的了解也会得到极大丰富。”论文的主要作者之一、上海理工大学副教授谷付星说。
不过，普通光谱仪都包含色散元件，体积能缩小的程度有限。而一旦缩小分光和探测元件的尺寸，又会导致光谱仪的光谱分辨率、灵敏度和动态检测范围显著下降。
光谱仪的微型化，遇上了槛。
此次问世的光谱仪，则另辟蹊径，采用的是半导体纳米线。
杨宗银和谷付星还在浙江大学读书时，就一起发明了在单根纳米线上调控带隙的技术，得到的纳米线在荧光显微镜下观察起来就像一道彩虹，很容易让人联想到牛顿三棱镜实验中的七彩色。
“沿着这个思路我们开始探索用纳米线替代三棱镜，这样一来，就能把传统光学器件的尺寸缩小到纳米尺度，可以在可穿戴设备等新兴领域进行应用。”杨宗银说。
用纳米线做光谱检测，需要精细加工。团队采用了和制作电脑芯片类似的工艺，在这种纳米线上加工出了光探测器阵列，并利用各个探测器对不同颜色光具有不同响应的特性，通过逆问题的求解，从响应函数方程组中重构出所需要测量的光谱信息。
用五年时间让它进入寻常百姓家
“我觉得这项技术的关键之一是彩色纳米线的制备控制。纳米线直径的粗细，各颜色成分的长度区间等因素，都会影响光谱仪的强度和灵敏度等特性。”谷付星告诉科技日报记者，纳米线的生长是个难题，要在几十个微米长的线上精确调控成分非常困难，这个问题正在通过借鉴芯片标准工艺的方式来解决。“而且，如果要大规模生产，很难保证各个产品的一致性，我们目前的解决办法是给每个器件做标定。”
根据需要测量的光线波长范围，纳米线材料可以在多种半导体材料中选择。如果能控制好条件，每次生长过程可以制备出成千上万根彩色纳米线，微型光谱仪的成本会相当低。
小、便携，不费钱，易推广，杨宗银说，它非常合适终端消费者使用。他介绍，这一微型光谱仪与广泛使用的手机摄像系统具有良好的兼容性，可设计成紧凑式光谱仪模块，让手机在拍照的同时，就能获得光谱信息。这也相当于把强大的光谱分析技术从实验室搬到了手掌上，让有害食物药品，在手机的镜头下“无处遁形”。
杨宗银透露，团队已经在申请微型光谱仪的专利。他们希望在这种光谱仪的基础上，开发出一系列覆盖紫外到红外的微型光谱仪，用大概五年左右的时间使微型光谱仪广泛应用到科研、生产以及生活中。
不过，若它真要应用到日常的食药领域，还有两大难题要解决：一个是建立大规模食品药品的光谱数据库，这需要长时间的积累；另一个则是开发智能化、易上手的操作界面，毕竟用户可无法自行解读光谱数据。
另外，它还有可能为癌症检测提供新思路。
杨宗银说，微型光谱仪可以对单个细胞进行扫描光谱成像。不同于以往的细胞成像技术，这样的光谱成像可以让图像中的每个像素都包含丰富的光谱信息，从而能够分析细胞每个部分的化学变化。“通过后续的开发，我们还能将这种微型光谱仪注射到人体，实时监测人体健康状况。”
来源：科技日报 记者：张盖伦
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