Wetenschappers hebben een ultrageminiaturiseerd apparaat ontworpen dat afzonderlijke cellen rechtstreeks in beeld kan brengen zonder dat een microscoop nodig is of chemische vingerafdrukanalyse vanaf een smartphone mogelijk maakt.

Het apparaat, gemaakt van een enkele nanodraad die 1000 keer dunner is dan een mensenhaar, is de kleinste spectrometer ooit ontworpen. Het kan worden gebruikt in mogelijke toepassingen zoals het beoordelen van de versheid van voedsel, de kwaliteit van medicijnen, of zelfs het identificeren van namaakvoorwerpen, allemaal van een smartphonecamera. Details worden gerapporteerd in het journaal Wetenschap .

In de 17e eeuw, Isaac Newton, door zijn observaties over de splitsing van licht door een prisma, zaaide de zaden voor een nieuw wetenschapsgebied dat de interacties tussen licht en materie bestudeert - spectroscopie. Vandaag, optische spectrometers zijn essentiële instrumenten in de industrie en bijna alle gebieden van wetenschappelijk onderzoek. Door de kenmerken van licht te analyseren, spectrometers kunnen ons vertellen over de processen in galactische nevels, miljoenen lichtjaren verwijderd, tot de kenmerken van eiwitmoleculen.

Echter, zelfs nu, de meeste spectrometers zijn gebaseerd op principes die vergelijkbaar zijn met wat Newton demonstreerde met zijn prisma:de ruimtelijke scheiding van licht in verschillende spectrale componenten. Een dergelijke basis beperkt de grootte van spectrometers fundamenteel:ze zijn meestal omvangrijk en complex, en uitdagend om te krimpen tot maten die veel kleiner zijn dan een munt. Vierhonderd jaar na Newton, Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge hebben deze uitdaging overwonnen door een systeem te produceren dat tot duizend keer kleiner is dan eerder gemeld.

Het Cambridge-team, werken met collega's uit het VK, China en Finland, een nanodraad gebruikt waarvan de materiaalsamenstelling over de lengte varieert, waardoor het kan reageren op verschillende kleuren licht over het zichtbare spectrum. Door gebruik te maken van technieken die vergelijkbaar zijn met die welke worden gebruikt voor de vervaardiging van computerchips, ze maakten vervolgens een reeks lichtgevoelige secties op deze nanodraad.

"We hebben een nanodraad ontwikkeld waarmee we de dispersieve elementen kunnen verwijderen, als een prisma, het produceren van een veel eenvoudiger, ultra-geminiaturiseerd systeem dan conventionele spectrometers kunnen toestaan, "Zei eerste auteur Zongyin Yang van het Cambridge Graphene Centre. "De individuele reacties die we krijgen van de nanodraadsecties kunnen dan direct worden ingevoerd in een computeralgoritme om het invallende lichtspectrum te reconstrueren."

"Als je een foto maakt, de informatie die is opgeslagen in pixels is over het algemeen beperkt tot slechts drie componenten:rood, groente, en blauw, " zei co-eerste auteur Tom Albrow-Owen. "Met ons apparaat, elke pixel bevat datapunten uit het hele zichtbare spectrum, zodat we gedetailleerde informatie kunnen verkrijgen die veel verder gaat dan de kleuren die onze ogen kunnen waarnemen. Dit kan ons vertellen, bijvoorbeeld, over chemische processen die plaatsvinden in het kader van het beeld."

"Onze aanpak zou een ongekende miniaturisatie van spectroscopische apparaten mogelijk maken, in een mate dat ze rechtstreeks in smartphones zouden kunnen worden geïntegreerd, krachtige analytische technologieën van het laboratorium naar de palm van onze handen brengen, " zei Dr. Tawfique Hasan, die de studie leidde.

Een van de meest veelbelovende potentiële toepassingen van de nanodraad zou in de biologie kunnen zijn. Omdat het apparaat zo klein is, het kan afzonderlijke cellen direct in beeld brengen zonder dat een microscoop nodig is. En in tegenstelling tot andere bioimaging-technieken, de informatie die door de nanodraadspectrometer wordt verkregen, bevat een gedetailleerde analyse van de chemische vingerafdruk van elke pixel.

De onderzoekers hopen dat het platform dat ze hebben gecreëerd kan leiden tot een geheel nieuwe generatie ultracompacte spectrometers die werken van het ultraviolette tot het infraroodbereik. Dergelijke technologieën kunnen worden gebruikt voor een breed scala aan consumenten, onderzoek en industriële toepassingen, ook in lab-on-a-chip-systemen, biologische implantaten, en slimme draagbare apparaten.

Het Cambridge-team heeft een patent aangevraagd op de technologie, en hoopt binnen de komende vijf jaar real-life toepassingen te zien.