Een onderzoeksteam van natuurkundigen van de universiteit van Harvard heeft nieuwe draagbare spectrometers ontwikkeld die dezelfde prestaties kunnen leveren als grote, tafel instrumenten. De innovatie van de onderzoekers deze week uitgelegd in APL Fotonica , komt voort uit hun baanbrekende werk in metalen lenzen. De hand-held spectrometers zijn veelbelovend voor toepassingen variërend van diagnostiek in de gezondheidszorg tot milieu- en voedselmonitoring.

Spectrometers zijn instrumenten die veel worden gebruikt om de aanwezigheid van verschillende biologische of chemische verbindingen te kwantificeren op basis van hun interactie met licht. Echter, een praktisch hulpmiddel zijn voor gebruikers, zoals artsen aan het bed of voedselveiligheidsinspecteurs in het veld, spectrometers moeten draagbaar zijn, goedkoop en gemakkelijk te gebruiken zonder gespecialiseerde apparatuur of training. Typisch, echter, er is een inherente afweging tussen de grootte en de prestaties van de spectrometer. Om de prestaties te behouden en tegelijkertijd de spectrometergrootte te verkleinen, dit team van onderzoekers heeft een spectrometer ontwikkeld met metalen lenzen die de functionaliteiten van een traditionele raster- en focusspiegel combineren in een enkel onderdeel, evenals een veel groter vermogen om golflengten ruimtelijk te scheiden (de zogenaamde dispersie). In alles, de totale grootte van de spectrometer wordt aanzienlijk verkleind zonder dat dit ten koste gaat van de prestaties.

"Dit onderzoek heeft zijn wortels helemaal terug tot 2011, toen we de fundamentele eigenschappen van licht onderzochten terwijl het interageert met tweedimensionale metamaterialen (meta-oppervlakken) en gegeneraliseerde wetten ontdekten voor de breking en reflectie van licht voor meta-oppervlakken, die krachtige generalisaties zijn van de leerboekwetten die gelden voor gewone oppervlakken, " legde Federico Capasso van Harvard uit.

In tegenstelling tot traditionele vuurvaste lenzen die millimeters dik zijn en een karakteristiek gebogen oppervlak hebben, een meta-lens is een volledig platte of vlakke lens die bestaat uit miljoenen nanostructuren. Met behulp van lithografische technieken, juiste plaatsing en fabricage van deze nanostructuren maakt vergelijkbare of betere functionaliteiten mogelijk in vergelijking met traditionele lenzen. Deze metalen lenzen kunnen worden aangepast aan de specificaties van de gebruiker, en in massa geproduceerd met dezelfde gieterijen die computerchips produceren. "Om deze redenen, wij geloven dat metalenzen game-changers zijn, "Zei Capasso. "In feite, ons werk aan metalenses in het zichtbare, vorig jaar verschenen, werd door het tijdschrift Science geprezen als een van de topdoorbraken van het jaar in 2016."

"De potentiële toepassingen van deze nieuwe kleinere spectrometers zijn belangrijk voor draagbare monitoring van biologische en chemische verbindingen", zegt Alex Zhu, hoofdauteur van het artikel. "Bijvoorbeeld, artsen zouden diagnostische capaciteiten op ziekenhuisniveau kunnen bieden aan patiënten in het veld waar geavanceerde apparatuur en hoog opgeleid personeel niet beschikbaar zijn, het verstrekken van gegevens op een tijdschaal van minuten tot uren, in tegenstelling tot dagen of weken van gebruikelijke op chemie gebaseerde methoden." Hetzelfde geldt voor milieumonitoring:gegevens over verontreinigende stoffen, of giftige chemicaliën kunnen op verschillende locaties in realtime worden verzameld en verwerkt met ultracompacte, hoogwaardige spectrometers.

De volgende stap om het volledige potentieel van deze metaspectrometers te realiseren, is het verbeteren van de prestaties van het prototype voor zowel het werkende golflengtebereik als de spectrale resolutie. Hierdoor zou het kunnen worden gebruikt voor een breed scala aan analyses, waaronder zeer gespecialiseerde om eiwitten of genmarkers te identificeren (Raman-spectroscopie), die doorgaans omslachtige processen met geavanceerde apparatuur in een groot laboratorium met zich meebrengen.

"Het doel is om vergelijkbare prestatieniveaus te bereiken met een eenvoudig 'plug-and-play' tweecomponentenapparaat, d.w.z., een metalen lens en een detector, die samen fungeren als een meta-spectrometer, "Zei Zhu. "Het potentieel hiervoor bestaat al in de metaallenstechnologie; het is gewoon een kwestie van de juiste configuraties vinden en laten werken."