Stel je voor dat je je smartphone op een zoute snack richt die je achter in je voorraadkast hebt gevonden en meteen weet of de ingrediënten ranzig zijn geworden.

Apparaten die spectrometers worden genoemd, kunnen gevaarlijke chemicaliën detecteren op basis van een unieke "vingerafdruk" van geabsorbeerd en uitgezonden licht. Maar deze lichtverdelende instrumenten zijn lange tijd zowel omvangrijk als duur geweest, het gebruik ervan buiten het laboratorium te voorkomen.

Tot nu. Ingenieurs van de Universiteit van Wisconsin-Madison hebben een spectrometer ontwikkeld die zo klein en eenvoudig is dat hij kan worden geïntegreerd met de camera van een normale mobiele telefoon zonder in te boeten aan nauwkeurigheid.

"Dit is een compacte single-shot spectrometer die een hoge resolutie biedt met lage fabricagekosten, " zegt Zhu Wang, die deel uitmaakte van het team van elektrotechnici die het apparaat hebben gemaakt.

De onderzoekers publiceerden op 4 maart een beschrijving van de apparaten. 2019, in het journaal Natuurcommunicatie .

De apparaten van het team hebben ook een geavanceerde mogelijkheid genaamd hyperspectrale beeldvorming, die informatie verzamelt over elke afzonderlijke pixel in een afbeeldingsvolgorde om materialen te identificeren of specifieke objecten te detecteren te midden van een gecompliceerde achtergrond. Hyperspectrale detectie, bijvoorbeeld, kan worden gebruikt om naden van waardevolle mineralen in rotswanden te detecteren of om specifieke planten in een sterk begroeid gebied te identificeren.

De spectrale vingerafdruk van elk element omvat unieke uitgezonden of geabsorbeerde golflengten van licht - en het vermogen van de spectrometer om dat licht te voelen, heeft onderzoekers in staat gesteld alles te doen, van het analyseren van de samenstelling van onbekende verbindingen tot het onthullen van de samenstelling van verre sterren.

Spectrometers vertrouwen gewoonlijk op prisma's of roosters om het door een object uitgezonden licht te splitsen in afzonderlijke banden, die elk overeenkomen met een andere golflengte. De fotodetector van een camera kan die banden vastleggen en analyseren; bijvoorbeeld, de spectrale vingerafdruk van het element natrium bestaat uit twee banden met golflengten van 589 en 590 nanometer.

Menselijke ogen zien licht met een golflengte van 590 nanometer als een geeloranje tint. Kortere golflengten komen overeen met blauw en paars, terwijl langere golflengten rood lijken. Zonlicht bevat een complete regenboog met elkaar vermengd, die wij als wit zien.

Om het verschil tussen een mengsel van verschillende kleuren op te lossen, spectrometers moeten meestal relatief groot zijn met een lange weglengte om lichtstralen te laten reizen en scheiden.

Toch heeft het team kleine spectrometers gemaakt, meet slechts 200 micrometer aan elke kant (ongeveer een-20ste van de oppervlakte van een balpenpunt) en delicaat genoeg om direct op een sensor van een typische digitale camera te liggen.

Dat kleine formaat was mogelijk omdat de onderzoekers hun apparaat baseerden op speciaal ontworpen materialen die inkomend licht verschillende keren dwongen heen en weer te kaatsen voordat het de sensor bereikte. Die interne reflecties verlengden het pad waarlangs het licht reisde zonder bulk toe te voegen, het verhogen van de resolutie van de apparaten.

En de apparaten voerden hyperspectrale beeldvorming uit, het oplossen van twee verschillende afbeeldingen (van de nummers vijf en negen) van een momentopname van een overlappende projectie die het paar combineerde tot iets dat niet te onderscheiden is met het blote oog.

Nu hoopt het team de spectrale resolutie van het apparaat te verbeteren, evenals de helderheid en scherpte van de beelden die het vastlegt. Die verbeteringen kunnen de weg vrijmaken voor nog meer verbeterde sensoren.