Instrumenten die de eigenschappen van licht meten, bekend als spectrometers, worden veel gebruikt in fysieke, chemisch, en biologisch onderzoek. Deze apparaten zijn meestal te groot om draagbaar te zijn, maar MIT-wetenschappers hebben nu aangetoond dat ze spectrometers kunnen maken die klein genoeg zijn om in een smartphonecamera te passen. met behulp van kleine halfgeleider nanodeeltjes genaamd quantum dots.

Dergelijke apparaten kunnen worden gebruikt om ziekten te diagnosticeren, vooral huidaandoeningen, of om milieuverontreinigende stoffen en voedselomstandigheden op te sporen, zegt Jie Bao, een voormalig MIT-postdoc en de hoofdauteur van een paper waarin de quantum dot-spectrometers worden beschreven in het nummer van 2 juli van Natuur .

Dit werk vertegenwoordigt ook een nieuwe toepassing voor kwantumdots, die voornamelijk zijn gebruikt voor het labelen van cellen en biologische moleculen, evenals in computer- en televisieschermen.

"Het gebruik van kwantumdots voor spectrometers is zo'n eenvoudige toepassing in vergelijking met al het andere dat we hebben geprobeerd te doen, en dat vind ik erg aantrekkelijk, " zegt Moungi Bawendi, de Lester Wolfe Professor of Chemistry aan het MIT en de senior auteur van de paper.

Krimpende spectrometers

De vroegste spectrometers bestonden uit prisma's die licht scheiden in zijn samenstellende golflengten, terwijl de huidige modellen optische apparatuur zoals diffractieroosters gebruiken om hetzelfde effect te bereiken. Spectrometers worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen, zoals het bestuderen van atomaire processen en energieniveaus in de natuurkunde, of het analyseren van weefselmonsters voor biomedisch onderzoek en diagnostiek.

Door die omvangrijke optische apparatuur te vervangen door kwantumdots, kon het MIT-team spectrometers verkleinen tot ongeveer de grootte van een Amerikaans kwartaal, en om te profiteren van enkele van de inherente nuttige eigenschappen van kwantumstippen.

Kwantumstippen, een soort nanokristallen ontdekt in de vroege jaren 1980, worden gemaakt door metalen zoals lood of cadmium te combineren met andere elementen, waaronder zwavel, selenium, of arseen. Door de verhouding van deze uitgangsmaterialen te regelen, de temperatuur, en de reactietijd wetenschappers kunnen een bijna onbeperkt aantal punten genereren met verschillen in een elektronische eigenschap die bekend staat als bandgap, die bepaalt de golflengten van het licht dat elke stip zal absorberen.

Echter, de meeste bestaande toepassingen voor kwantumdots maken geen gebruik van dit enorme bereik van lichtabsorptie. In plaats daarvan, de meeste toepassingen, zoals het labelen van cellen of nieuwe soorten tv-schermen, de fluorescentie van kwantumstippen uitbuiten - een eigenschap die veel moeilijker te controleren is, zegt Bawendi. "Het is heel moeilijk om iets te maken dat heel helder fluoresceert, "zegt hij. "Je moet de stippen beschermen, je moet al deze techniek doen."

Ook werken wetenschappers aan zonnecellen op basis van quantum dots, die afhankelijk zijn van het vermogen van de stippen om licht in elektronen om te zetten. Echter, dit fenomeen wordt niet goed begrepen, en is moeilijk te manipuleren.

Anderzijds, De absorptie-eigenschappen van quantum dots zijn bekend en zeer stabiel. "Als we op deze eigenschappen kunnen vertrouwen, het is mogelijk om applicaties te maken die op relatief korte termijn een grotere impact zullen hebben, ' zegt Bao.

Breed spectrum

De nieuwe quantum dot-spectrometer maakt gebruik van honderden quantum dot-materialen die elk een specifieke reeks golflengten van licht filteren. De quantum dot-filters worden in een dunne film afgedrukt en bovenop een fotodetector geplaatst, zoals de ladingsgekoppelde apparaten (CCD's) die worden aangetroffen in mobiele telefooncamera's.

De onderzoekers creëerden een algoritme dat het percentage fotonen analyseert dat door elk filter wordt geabsorbeerd, recombineert vervolgens de informatie van elk om de intensiteit en golflengte van de oorspronkelijke lichtstralen te berekenen.

Hoe meer quantum dot-materialen er zijn, hoe meer golflengten kunnen worden bestreken en hoe hoger de resolutie kan worden verkregen. In dit geval, de onderzoekers gebruikten ongeveer 200 soorten kwantumdots verspreid over een bereik van ongeveer 300 nanometer. Met meer stippen, dergelijke spectrometers zouden kunnen worden ontworpen om een ​​nog groter bereik van lichtfrequenties te dekken.

"Bawendi en Bao toonden een prachtige manier om de gecontroleerde optische absorptie van halfgeleiderkwantumdots voor miniatuurspectrometers te benutten. Ze demonstreren een spectrometer die niet alleen klein is, maar ook met hoge doorvoer en hoge spectrale resolutie, wat nog nooit eerder is bereikt, " zegt Feng Wang, een universitair hoofddocent natuurkunde aan de Universiteit van Californië in Berkeley die niet bij het onderzoek betrokken was.

Indien ingebouwd in kleine draagbare apparaten, dit type spectrometer kan worden gebruikt om huidaandoeningen te diagnosticeren of urinemonsters te analyseren, zegt Bao. Ze kunnen ook worden gebruikt om vitale functies zoals hartslag en zuurstofniveau te volgen, of om blootstelling aan verschillende frequenties van ultraviolet licht te meten, die sterk variëren in hun vermogen om de huid te beschadigen.

"Het centrale onderdeel van dergelijke spectrometers - de kwantumdot-filterarray - is gefabriceerd met op oplossingen gebaseerde verwerking en afdrukken, waardoor een aanzienlijke potentiële kostenbesparing mogelijk wordt, ' voegt Bao toe.