Ця технологія також здатна зробити революцію у таких сферах, як контроль якості харчових продуктів, промисловий контроль якості та екологічний моніторинг.
Дослідники з Кембридзького університету та компанії GlitterinTech (стартапу, створеного тією ж науковою групою) розробили новий тип оптичного спектрометра, який поєднує у собі виняткову точність, компактні розміри та низьку вартість. Пристрій, габарити якого становлять всього кілька сантиметрів, може бути інтегрований в портативну електроніку і медичні гаджети. Спектр його потенційного застосування широкий: від відстеження важливих показників здоров'я в режимі реального часу до ідентифікації матеріалів та виявлення змін у їхньому хімічному складі.
Принцип роботи оптичних спектрометрів ґрунтується на аналізі світла, що дозволяє отримувати інформацію про речовини, з якими він взаємодіє. Такі прилади незамінні в медицині, виробництві, хімічному аналізі та екологічних дослідженнях. Однак досі зменшення розмірів подібних пристроїв неминуче призводило до погіршення їх характеристик. Компактні спектрометри часто мають обмежений діапазон вимірювань, знижену роздільну здатність або недостатню точність, через що вони краще підходять для якісного визначення речовин, ніж для проведення високоточних кількісних вимірювань.
Розробники вважають, що їхня нова конструкція дозволить подолати ці обмеження. Пристрій, що отримав назву "згортковий спектрометр" (convolutional spectrometer), використовує математичний принцип – теорему про згортку – для аналізу світла принципово іншим способом. За словами авторів, такий підхід забезпечує ефективність, що перевершує наявні типи спектрометрів — у тому числі ті, що ґрунтуються на дисперсії світла, перетворенні Фур'є або методах обчислювальної реконструкції.
Новий спосіб аналізу світла з винятковою точністю
Традиційні спектрометри зазвичай або поділяють вхідне світло на складники його довжини хвиль, або використовують складні обчислення відновлення спектра. Новий пристрій діє інакше: він виконує математичну операцію - згортку - безпосередньо над вхідним світловим потоком.
Для цього дослідники розташували в певній послідовності оптичні компоненти зі спектральними характеристиками, що повторюються. До них можуть входити, наприклад, незбалансовані інтерферометри Маха-Цендера або мікрокільцеві резонатори. Налаштовуючи ці компоненти щодо один одного, система може контрольованим та лінійним чином змінювати свій відгук на різні довжини хвиль. Потім за допомогою швидкого перетворення Фур'є відбувається точне відновлення спектра світла.
"Ключова ідея полягала в тому, щоб повернутися до математики й поставити запитання: чи існує принципово більш елегантний спосіб отримання спектрів?" - зазначає доктор Чуньхуей Яо, провідний автор дослідження. "Використання теореми про згортку безпосередньо в оптичному діапазоні дозволяє подолати багато обмежень, що стримували розвиток мініатюрних спектрометрів. У результаті створено компактну і недорогу систему, що відрізняється високою точністю, стійкістю до перешкод і мінімальними вимогами до обчислювальних ресурсів."
Дослідники розробили спектрометр на базі фотонної платформи з нітриду кремнію, інтегрувавши його із вбудованою електронікою. Пристрій працює в широкому діапазоні довжин хвиль ближнього інфрачервоного спектру (1200-1700 нм) і здатний виконувати збирання та обробку даних менш ніж за одну секунду.
Ще однією важливою перевагою є можливість розширення функціональних можливостей системи без суттєвих апаратних змін. Завдяки використанню оптичних структур, що повторюються, спектральний діапазон пристрою теоретично можна збільшувати практично без обмежень. Крім того, послідовне додавання оптичних компонентів дозволяє експоненційно підвищити роздільну здатність системи.
Датчик вартістю 10 доларів, здатний зробити революцію в аналізі харчових продуктів та охороні здоров'я
Щоб оцінити можливості пристрою поза теоретичних розрахунків, дослідники протестували його на різних матеріалах і речовинах. Результати показали, що прилад може застосовуватися в тих областях, де зазвичай використовуються більш громіздкі та дорогі лабораторні інструменти.
При ідентифікації пластику, фармацевтичних препаратів, кави, борошна та чаю спектрометр продемонстрував 100% точність класифікації. Крім того, він дозволив визначити концентрацію речовин у водних та органічних розчинах з точністю близько 0,01%, що в цих експериментах перевершило показники комерційних стаціонарних спектрометрів.
Особливо багатообіцяльними виявилися результати у сфері охорони здоров'я. В умовах, що імітують реальне фізіологічне середовище, пристрій точно виміряв ряд біомаркерів в організмі людини, включаючи рівень вологості шкіри, а також вміст алкоголю, лактату та глюкози у крові.
Дослідники також провели експеримент із неінвазивного моніторингу рівня глюкози в одного з учасників протягом тривалого часу. Хоча до перетворення цієї технології на повноцінний медичний продукт потрібні додаткові випробування, отримані дані вказують на можливий спосіб контролю рівня цукру в крові без багаторазових проколів шкіри.
"Ці біомедичні результати особливо вражають", – зазначив керівник проєкту професор Цисян Чен. "Цінність цієї роботи полягає не лише в лабораторних показниках, а й у технічній готовності пристрою. Внесок доктора Чуньхуей Яо був вирішальним: завдяки йому математична концепція перетворилася на надійну, готову до використання систему, яка стабільно працює як за екстремальних температур, так і в реальних умовах експлуатації. Саме це поєднання відкриває шлях до практичного застосування технології."
Датчик також продемонстрував разючу стійкість до перепадів температур. Він продовжував стабільно працювати в діапазоні від -20 ° C до 80 ° C - надзвичайно широкий інтервал для мініатюрного спектрометра. Така довговічність може бути вкрай корисна для пристроїв, промислового обладнання і датчиків, що працюють поза приміщеннями.
Чому спрощена конструкція може стати важливим проривом
Переваги нового спектрометра не обмежуються його точністю, компактністю та доступною ціною. Його внутрішня архітектура також дозволяє знизити обсяг обчислювальних потужностей, необхідних для аналізу світлового сигналу.
Багато теперішніх мініатюрних спектрометрів вимагають складного калібрування та ресурсомістких алгоритмів для відновлення спектральної інформації. Такі методи можуть давати збої за наявності перешкод у вимірах, причому вони часто вимагають значних обчислювальних витрат. Підхід, заснований на згортці, який запропонувала команда з Кембриджу, дозволяє уникнути значної частини цієї складності. Оскільки вимірювання описуються лінійною математичною залежністю, система здатна швидко і стабільно відновлювати спектри, використовуючи відносно невелику обчислювальну потужність.
"Це чудовий приклад того, як витончене інженерне рішення може принести реальну користь", — зазначив професор Річард Пенті, який брав участь у розробці та інтеграції фотонної системи. "Архітектура відрізняється простотою, масштабованістю та технологічністю, при цьому вона забезпечує точність, порівнянну з показниками значно більших приладів або навіть перевершує їх. Доктор Чуньхуей Яо відіграв ключову роль в об'єднанні фотонного проєктування, системної інтеграції та експериментальної перевірки, що й уможливило це."
Завдяки відносно простій конструкції цю технологію може бути легше впровадити у масове виробництво. Це відкриває можливість використання складних оптичних вимірювань у пристроях, для яких традиційні спектрометри виявилися б надто громіздкими чи дорогими.
Вимірювання лабораторного рівня – у повсякденних пристроях
Дослідники уявляють майбутнє, у якому точні оптичні методи аналізу стануть звичною функцією повсякденних технологій, а не залишаться прерогативою спеціалізованих лабораторій.
На виробництві можна повсюдно впроваджувати недорогі спектрометри для безперервного контролю складу матеріалів та якості продукції. Аналогічні датчики дозволять оцінювати свіжість харчових продуктів, ідентифікувати речовини та аналізувати стан навколишнього середовища — причому у значно ширших масштабах, ніж це можливо сьогодні.
Значні зміни можуть відбутися у сфері охорони здоров'я. Компактні сенсори, інтегровані в пристрої, зможуть визначати рівень гідратації організму, виявляти ознаки алкогольного сп'яніння, відстежувати біомаркери фізичного стану або безперервно контролювати рівень глюкози у людей, які страждають на діабет.
"Ми прагнемо того, щоб спектрометрія стала такою самою повсюдною технологією, як вимірювання температури або фіксація руху", — зазначає професор Цисян Чен. "Наша робота доводить, що отримання високоякісних спектральних даних не обов'язково має бути обмежене лабораторними умовами — такі можливості можна вбудувати безпосередньо у пристрої, якими користуються люди щодня."
У міру того як фотонні технології стають компактнішими й досконалішими, "згортковий" спектрометр служить яскравим прикладом того, як поєднання математичних підходів та інженерних рішень дозволяє зробити складні наукові прилади простішими, дешевшими й доступнішими. Об'єднавши високу точність вимірювань із пристроєм, вартість якого становить близько 10 доларів, дослідники відкрили шлях до створення нового покоління "розумних" датчиків, здатних аналізувати прихований хімічний склад нашого організму та навколишнього середовища.
