劍橋大學(xué)論文合作者合影 項目組供圖

　　納米線光譜儀可以做成光譜芯片，與廣泛使用的手機攝像系統(tǒng)具有良好的兼容性，繼而設(shè)計成緊湊式光譜儀模塊，使手機具備光譜探測能力，宣傳欄廠家，把強大的光譜分析技術(shù)從實驗室搬到手掌上。

　　■見習(xí)記者 程唯珈

　　買了青菜，擔心有農(nóng)藥？拿出手機，打開攝像頭，讓微型光譜儀先幫你做個CT。此外，光譜儀還能檢測出食物的新鮮程度、蛋白質(zhì)含量、糖分含量等。這些看似“科幻”的操作，在不久的將來都可能變成現(xiàn)實。

　　這一切的背后，都離不開一根由半導(dǎo)體納米線組成的微型光譜儀。其大小比人類頭發(fā)千分之一還細，說它是世界上最小的光譜儀也毫不為過。

　　“它可被集成到手機上，指路牌，只要用手機一掃就可以檢測出食物的新鮮度、食品藥品的成分，還可用于藝術(shù)品的鑒定?！霸摴庾V儀的發(fā)明者之一、論文第一作者、劍橋大學(xué)石墨烯中心博士后楊宗銀將一根纖細的帶隙漸變的硫硒化鎘納米線放置顯微鏡下。在藍光的激發(fā)下，散發(fā)著彩虹色的熒光。

　　該成果日前發(fā)表于《科學(xué)》。

　　牛頓的棱鏡

　　17世紀，牛頓發(fā)現(xiàn)太陽光通過棱鏡的折射后可觀察到彩色，這個色散實驗為光譜儀的誕生播下了種子。通過對光譜的測量，人們可獲知大到幾百萬光年外的星系活動、小到納米尺度的分子結(jié)構(gòu)，還可以用來分析物體中的化學(xué)成分。

　　比如我們?nèi)粘ｏ嬘玫呐Ｄ?，肉眼直接觀察很難區(qū)別個中差異。但是通過對牛奶進行光譜分析，牛奶里的成分便一目了然。

　　“每個物質(zhì)都會有相應(yīng)的光譜信號，宣傳欄廠家，如水、乙醇、糖的吸收光譜，熒光、拉曼光譜都不一樣。據(jù)此可以確定牛奶的成分、糖分高低、含水量多少以及是否含有三聚氰胺等?！?論文作者之一、上海理工大學(xué)副教授谷付星告訴《中國科學(xué)報》，借助光譜儀，人們可以快速地進行食物成分的分析。

　　盡管目前光譜儀技術(shù)已經(jīng)成熟，但光譜儀的微型化，遇到了門檻。

　　“普通光譜儀包含色散元件，這是個很核心的器件?！惫雀缎墙榻B，科研人員一般用棱鏡或者光柵對入射光進行分光色散，然后在后方放置一個光探測器陣列用于測量不同譜線的強度信息。但是，由于使用了棱鏡光柵等分光元件，導(dǎo)致光譜儀體積龐大。而減小分光和探測元件的尺寸又將導(dǎo)致光譜儀的光譜分辨率、靈敏度及動態(tài)檢測范圍顯著下降。

　　有沒有一種辦法可以兼顧儀器的尺寸和精度？多年來，國內(nèi)外科研人員展開了諸多研究。包括且不局限于利用高度集成的微電子芯片處理信號、使用精密加工技術(shù)使器件空間體積更小等手段，但均未突破色散如棱鏡和光柵等這個核心器件的限制。

　　誰能想到，在牛頓實驗四百多年后的今天，來自中國、英國和芬蘭的科研團隊另辟蹊徑，僅僅采用了一根半導(dǎo)體納米線，就成功攻克了這個技術(shù)難題。

　　納米線牽起兄弟情

　　說起這神奇的納米線，還得從8年前說起。

　　早在2011年，同在浙江大學(xué)求學(xué)的谷付星和楊宗銀共同發(fā)明了在單根納米線上調(diào)控帶隙的技術(shù)。用谷付星的話形容，“得到的納米線在熒光顯微鏡下觀察起來就像一道彩虹”。

　　“這很容易讓人聯(lián)想到牛頓三棱鏡實驗中的七彩色?！睏钭阢y告訴《中國科學(xué)報》，沿著這一思路，這對師兄弟開始探索用納米線替代三棱鏡，將傳統(tǒng)光學(xué)器件的尺寸縮小到納米尺度。

　　然而，想要實現(xiàn)光譜信號的收集和分析并非易事。盡管理論上可以在這種納米線周邊做電極陣列來實現(xiàn)光譜檢測，但是這需要精密的微納加工。

　　2012年，谷付星從浙江大學(xué)畢業(yè)，廣告燈箱多少錢一個，前赴上海理工大學(xué)成為“青椒”。由于實驗室剛起步，無法滿足光譜實驗的條件，于是他一邊研究氫氣傳感，一邊將希望寄托于前往劍橋大學(xué)讀博的楊宗銀。

　　而在大洋彼岸，楊宗銀的日子也不好過。他心儀的納米線光譜儀課題和導(dǎo)師的研究方向并不匹配，想要完成實驗測試需要極其艱苦的努力。

　　“從我2014年來劍橋讀博，文化宣傳欄，直至2017年一共做了大概150個光譜儀器件，結(jié)果仍然不理想，這段時間幸虧有妻子的支持。隨著對器件和算法的一次次優(yōu)化，直到2018年8月，在一個周六晚上，我在實驗室測量到了信號，有點不敢相信自己的眼睛，驗證了多次都和商用光譜儀測量結(jié)果相符，那一刻真是百感交集?！被厥走@段經(jīng)歷，楊宗銀至今記憶猶新。