Исследователи разработали спектрометр с тонким чипом, который подходит для носимых приложений. Надежное устройство «лаборатория на кристалле» из нитрида галлия также может выдерживать суровые условия с сильным излучением, например, при освоении космоса, или при высоких температурах, и может быть адаптировано для проведения анализа крови, просто проецируя свет на кожу. Его размер составляет всего 0,16 мм 2 .
«В качестве носимого устройства мы сможем поместить наше устройство на гибкую подложку, такую как простыни или ткань, или, может быть, на кожу», — сказал исследователь Туба Сарвар.
Спектрометр использует спектроскопию для сбора широкого спектра информации о веществе на основе того, как оно поглощает и отражает свет. Оптическая спектроскопия, которая измеряет спектр оптического сигнала, является одним из наиболее распространенных методов спектроскопии. В частности, он измеряет относительную спектральную плотность мощности спектра на разных длинах волн.
Прототип оптического спектрометра, созданный Сарваром и другими членами команды профессора П.К. Ку, изначально разрабатывался с определенной целью: измерение пота спортсмена в устройстве, которое можно носить как кожный пластырь. Это приложение было определено Инициативой UM по упражнениям и спорту (ESSI). Устройство не должно длиться долго; на самом деле, одноразовость была плюсом.
Создание такого устройства потребует чрезвычайной миниатюризации существующих на рынке устройств, которые имеют размеры около 12 кубических дюймов и стоят от сотен до тысяч долларов. Также потребовалось бы создание устройства, способного работать в режиме реального времени в изменяющихся условиях.
«С коммерческой точки зрения существует множество спектрометров, которые могут работать лучше, чем наши, — сказал Сарвар. «Но мы сосредоточились на миниатюризации, особенно на толщине устройства. Эти две функции могут дать нам анализ активного образца, такого как пот. Нам не нужно идти в лабораторию, чтобы использовать сложные инструменты для получения очень точных измерений. .»
Ссылка Сарвара на лабораторию подчеркивает тот факт, что большинству коммерчески доступных спектрометров требуется настольная система, состоящая из нескольких отдельных оптических элементов: 1) источник света для возбуждения образца; 2) спектральные кодеры для преобразования света от образца в читаемый результат; и 3) фотодетекторы для преобразования закодированного сигнала в спектр.
Среди этих трех элементов спектральные кодеры часто занимают наибольшую площадь или толщину, что затрудняет создание тонкого листа спектрометра, подходящего для эпидермальных применений.
Команда взяла на себя задачу создать устройство, которое могло бы достичь цели ESSI, и создали миниатюрное интегрированное устройство с низким энергопотреблением, работающее в видимом свете, в частности, в диапазоне длин волн 400–645 нм.
Спектрометр команды включает всего 16 фотодетекторов, каждый из которых реагирует на уникальный спектр света. Такое небольшое количество фотодетекторов стало возможным благодаря двум ключевым технологиям.
Во-первых, команда использовала инженерию деформации для спектральных кодировщиков на основе нитрида галлия (GaN). Инженерия деформации — это метод, используемый, например, в производстве полупроводников, при котором материал подвергается напряжению или деформации. Если все сделано правильно, это может привести к новым свойствам материала, которые лучше подходят для конкретных применений. Полупроводники GaN были выбраны в качестве основного материала из-за их превосходных оптических свойств в видимом спектре.
Желаемый результат резкого снижения зависимости от угла падения света был достигнут, что устранило необходимость в точном позиционировании спектрометра и связанной с ним оптики. Это также позволило разместить фотодетекторы рядом со спектральными кодировщиками на одном чипе.
Во-вторых, команда внедрила машинное обучение в работу устройства, чтобы декодировать сигнал, испускаемый детектором. Докторант Кан Ярас использовал простой неотрицательный алгоритм наименьших квадратов (NNLS), чтобы обеспечить эффективный вычислительный алгоритм для восстановления спектральной информации из сигнала детекторов.
С точки зрения производительности устройство было очень точным при определении длин волн пиков (со стандартным отклонением 0,97%), но менее точным при измерении соотношения интенсивностей в разных положениях пиков (со стандартным отклонением 21,1% или 10,4% после удаления один выброс).
Команда ожидает, что чтение коэффициентов интенсивности может быть улучшено за счет увеличения количества фотодетекторов и дальнейшей разработки алгоритма машинного обучения, например, путем применения методов глубокого обучения. Они также работают над рядом других усовершенствований прототипа спектрометра.
«Наша цель состояла не в том, чтобы построить лучший спектрометр в мире с точки зрения разрешения, — сказал Ку, — а в том, чтобы сосредоточиться на других аспектах, которые столь же интересны, если не больше: размер, толщина, энергопотребление и простота эксплуатации».
Работа опубликована в журнале Nano Letters.
Что касается будущего применения, Сарвар говорит, что этот миниатюрный спектрометр может быть встроен в кожный пластырь для мониторинга и диагностики состояния здоровья. Преимущество, которое он будет иметь по сравнению с существующими устройствами, заключается в том, что источник возбуждающего света также может быть легко интегрирован. Радиационная стойкость полупроводников GaN также делает устройство потенциально пригодным для освоения космоса.
