Исследователям удалось создать уникальный спектрометр. Он в тысячи раз меньше существующих приборов и с высочайшей точностью определяет длину волн света — от ультрафиолета до ближнего инфракрасного диапазона.

Эта технология открывает путь к карманным спектрометрам, а в перспективе — к целым сенсорным массивам для новейших систем спектрального анализа изображений.

Подробности опубликованы в издании Device.

Спектрометры — незаменимые инструменты для изучения мира, — говорит профессор Брендан О’Коннор, ведущий автор исследования. — Они показывают, как свет, взаимодействуя с веществом, меняет свои свойства, а мы по этим изменениям понимаем химический и физический состав материала. Их применяют везде — от промышленности до медицинской диагностики. Но даже самые компактные модели остаются довольно громоздкими.

Наше устройство работает быстро, при низком напряжении и охватывает огромный спектр света, — продолжает О’Коннор. — Прототип занимает площадь в несколько квадратных миллиметров — его легко разместить в смартфоне. При желании его можно сделать размером с один пиксель.

Секрет технологии — в крошечном фотодетекторе, который улавливает свет после его контакта с исследуемым объектом.

Меняя напряжение на детекторе, ученые управляют его чувствительностью к разным длинам волн.

Если быстро подать на детектор серию напряжений и записать, какие волны света он регистрирует в каждый момент, то с помощью простой программы можно восстановить точную спектральную подпись исследуемого света, — объясняет профессор. — На весь процесс уходит меньше миллисекунды, а разброс напряжений не превышает одного вольта.

Ранние попытки миниатюризации страдали от сложной оптики, требовали высокого напряжения или были чувствительны лишь к узкому диапазону.

Новый датчик лишен этих недостатков. В тестах он показал точность, сопоставимую с громоздкими лабораторными спектрометрами, и чувствительность на уровне коммерческих фотодетекторов.

Наша цель — вывести спектрометры на массовый рынок, — заявляет О’Коннор. — Компактность и низкое энергопотребление позволяют встроить их в смартфон, а это рождает множество идей: от бытового применения до новых исследовательских инструментов в микроскопии и спектральной визуализации.

Польза этой разработки выходит далеко за рамки лаборатории. Массовое удешевление и миниатюризация спектрального анализа могут изменить многие сферы.

• Медицина и здоровье: Появится возможность создания карманных анализаторов для экспресс-диагностики — например, по капле крови или выдыхаемому воздуху. Интеграция в умные часы позволит непрерывно отслеживать ключевые биохимические показатели.
• Пищевая безопасность и качество жизни: Смартфон с таким сенсором сможет проверять свежесть продуктов, определять состав пищи, выявлять аллергены или оценивать чистоту воды прямо в походе.
• Наука и образование: Резко снизятся стоимость и порог вхождения для проведения спектральных исследований. Школьные лаборатории и любительские научные проекты получат доступ к инструментам, которые раньше были уделом крупных институтов.
• Промышленность и экология: Компактные сенсорные сети смогут в режиме реального времени контролировать выбросы на производстве, анализировать состав почвы на полях или отслеживать состояние окружающей среды.

Основной вопрос к исследованию лежит в плоскости практической реализации и перехода от лабораторного прототипа к серийному устройству. В статье не затрагиваются ключевые инженерные вызовы: как обеспечить стабильность и повторяемость характеристик миллионов таких датчиков при массовом производстве? Как интегрировать их с оптикой смартфона, которая не предназначена для спектрального анализа, и решить проблему калибровки для рядового пользователя?

Кроме того, «простой вычислительной программе» для реконструкции спектра потребуются достаточно мощные алгоритмы, чтобы компенсировать неизбежное отсутствие в такой системе высококачественной диспергирующей оптики традиционных спектрометров. Успех будет зависеть не столько от работы самого сенсора, сколько от преодоления этих технологических и программных барьеров.

Ранее в Уфе запустили спектрометр за 100 миллионов рублей.