Wetenschappers hebben een spectrometerchip gemaakt die op een zandkorrel past.
Wat is een spectrometer?
Een spectrometer is een wetenschappelijk instrument dat materialen analyseert door te bestuderen hoe ze omgaan met licht. Wanneer een lichtbron op een stof schijnt, absorbeert deze stof een deel van dat licht en zendt een karakteristiek spectrum uit. Wetenschappers kunnen dit spectrum bestuderen om de chemische componenten van deze stof te identificeren.
Spectrale detectie kan ziekten diagnosticeren, de gezondheid van gewassen in een veld beoordelen of de bodemkwaliteit meten. Traditionele spectrometers splitsen licht op in een regenboog van kleuren met behulp van een prisma of rooster, en meten vervolgens de helderheid van elke kleur. Omdat licht een bepaalde afstand moet afleggen om goed te kunnen scheiden, zijn traditionele spectrometerinstrumenten vaak groot en duur.
Wat is een spectrometerchip en hoe werkt deze?
Een spectrometerchip is een miniatuurversie van een traditionele spectrometer. Ingenieurs bouwen alle lichtgevoelige componenten rechtstreeks op een klein stukje silicium. Deze chip voert dezelfde kerntaak uit als een laboratoriuminstrument van volledige grootte: hij identificeert de chemische samenstelling van een materiaal door licht te analyseren, maar doet dit zonder grote optische onderdelen.
Een traditionele spectrometer verspreidt licht fysiek in een spectrum, met behulp van een glazen prisma of een diffractierooster. Een spectrometerchip hanteert een andere aanpak. In plaats van licht fysiek te scheiden, gebruikt deze chip een reeks kleine fotodetectoren. Elke detector reageert op een iets ander golflengtebereik. Elke pixel in de sensorarray ontvangt selectief licht en genereert spectraal gefilterde signalen waartoe een controller toegang heeft.
De signalen van de detectoren zijn gecodeerd en overlappen elkaar: geen enkele detector geeft een zuivere aflezing van één kleur. Een verwerkingseenheid – vaak aangedreven door machine learning – analyseert vervolgens alle signalen samen en reconstrueert het volledige spectrum computationeel. Deze aanpak vervangt de fysieke taak van een prisma door een wiskundige berekening.
Het resultaat is een apparaat dat op een vingertop past en toch chemicaliën kan identificeren, ziektemarkers kan detecteren of de voedselkwaliteit kan beoordelen door gereflecteerd of doorgelaten licht te analyseren.
De drang om spectrometers kleiner te maken
Jarenlang hebben wetenschappers gewerkt aan het verkleinen van spectrometers. De verkleining van de afmetingen is gegaan van tafelinstrumenten met een voetafdruk van 200 cm² naar draagbare microspectrometers met een voetafdruk van 40 mm². Elke stap terug in omvang heeft ook geleid tot een daling van de kosten, waardoor deze technologie toegankelijker wordt.
Een onderzoeksteam van de Universiteit van Michigan ontwikkelde een miniatuur, flinterdunne spectrometer van slechts 0,16 mm² die bestand is tegen zware omstandigheden. Onderzoekers hebben dit apparaat ontworpen om het zweet van een atleet te analyseren via een draagbare huidpleister. Deze inspanningen toonden aan dat kleinere spectrometers mogelijk waren, maar onderzoekers wilden nog verder gaan.
De nieuwe kleine chip van UC Davis
Nu hebben onderzoekers van de Universiteit van Californië Davis (UC Davis) een spectrometerchip gebouwd die de grootte van een zandkorrel benadert. Deze chip meet nog geen halve vierkante millimeter. Dit team, onder leiding van professor Saif Islam, publiceerde de resultaten in het tijdschrift Advanced Photonics.
“We wilden deze kracht uit het laboratorium halen en in je zak stoppen”, zegt postdoctoraal wetenschapper Ahasan Ahamed, de eerste auteur van het artikel.
Hoe de UC Davis-chip werkt
De UC Davis-chip gebruikt geen prisma of rooster om licht te scheiden. In plaats daarvan vertrouwt het op een klein aantal sensoren in combinatie met kunstmatige intelligentie (AI).
Deze chip maakt gebruik van zestien silicium fotodetectoren, elke fotodetector is gevoelig voor een andere golflengte van licht. Elke fotodetector vangt slechts een deel van de spectrale informatie op. Samen verzamelen de zestien fotodetectoren voldoende gegevens voor een neuraal netwerk om het volledige lichtspectrum te reconstrueren.
Beschouw deze zestien fotodetectoren als een groep proevers die een complex gerecht proeven. Geen enkele proever identificeert elk ingrediënt, maar samen geven ze genoeg informatie voor een getrainde expert om het recept te benoemen. De AI speelt de rol van die expert.
De AI-augmented chip kan de signaalhelderheid behouden, zelfs in de aanwezigheid van aanzienlijke elektrische interferentie – een grote uitdaging in draagbare, goedkope elektronica.
Gevoeligheid uitbreiden naar het infrarood
Een belangrijke technische uitdaging was het uitbreiden van de gevoeligheid van de chip tot buiten het zichtbare licht. Siliciumsensoren werken goed voor zichtbare golflengten, maar hebben normaal gesproken moeite met het detecteren van nabij-infraroodlicht (NIR) – golflengten tot 1100 nm. NIR-licht is belangrijk voor medische toepassingen omdat het dieper in menselijk weefsel kan doordringen dan zichtbaar licht.
Het UC Davis-team heeft dit probleem opgelost door het oppervlak van de siliciumdetectoren te textureren met fotonenvangende oppervlaktestructuren. Hun chip bestrijkt een breed spectraal bereik van 300 nm tot 1100 nm, vergelijkbaar met de grootte van een zandkorrel. De gestructureerde oppervlakken verstrooien NIR-fotonen herhaaldelijk in de siliciumlaag, waardoor de kans groter wordt dat het materiaal ze absorbeert.
Het meten van ultrasnelle lichtgebeurtenissen
Naast het meten van kleur kan deze chip ook bijhouden hoe lang fotonen in een materiaal overleven. Deze chip bevat hogesnelheidssensoren die de levensduur van fotonen met grote precisie meten. Dankzij deze mogelijkheid kan hun apparaat ultrasnelle interacties tussen licht en materie detecteren die traditionele spectrometers vaak missen.
Voor welke taken gebruiken wetenschappers deze chip?
Het miniatuurontwerp biedt veel praktische toepassingen.
Geneesmiddel: Artsen zouden kleine, draagbare apparaten kunnen gebruiken om ziekten op de zorglocatie te diagnosticeren. Een draagbare monitor met deze chip zou de bloedchemie van een patiënt in realtime via de huid kunnen volgen.
Voedselveiligheid: Deze technologie zou de gezondheid van gewassen in een veld kunnen beoordelen of de bodemkwaliteit kunnen meten. Consumenten of voedselproducenten kunnen producten scannen om de versheid te controleren of verontreinigingen op te sporen zonder monsters naar een laboratorium te sturen.
Omgeving: Onderzoekers hebben ook compacte hyperspectrale spectrometer-op-chip-systemen ontwikkeld voor aardobservatie, waardoor een nauwkeurige analyse van de plant- en bodemgesteldheid mogelijk is. Zo’n kleine chip zou in drones of satellieten kunnen passen voor milieumonitoring over een groot gebied.
Dagelijkse apparaten: “We maken de weg vrij voor een toekomst waarin je horloge of telefoon niet alleen foto’s maakt, maar ook de chemische wereld om je heen analyseert”, aldus het team van UC Davis.
De combinatie van AI en geminiaturiseerde hardware is het belangrijkste inzicht achter deze vooruitgang. De chip heeft geen omvangrijke optische componenten nodig omdat het neurale netwerk het rekenwerk doet dat optica vroeger fysiek deed. Deze verschuiving in aanpak – van hardwarescheiding naar softwarereconstructie – kan de volgende generatie detectieapparatuur definiëren.