Wissenschaftler haben einen Spektrometerchip entwickelt, der auf ein Sandkorn passt.
Was ist ein Spektrometer?
Ein Spektrometer ist ein wissenschaftliches Instrument, das Materialien analysiert, indem es untersucht, wie sie mit Licht interagieren. Wenn eine Lichtquelle auf einen Stoff scheint, absorbiert dieser Stoff einen Teil des Lichts und sendet ein charakteristisches Spektrum aus. Wissenschaftler können dieses Spektrum untersuchen, um die chemischen Bestandteile dieser Substanz zu identifizieren.
Spektralsensoren können Krankheiten diagnostizieren, den Gesundheitszustand von Pflanzen auf einem Feld beurteilen oder die Bodenqualität messen. Herkömmliche Spektrometer teilen das Licht mithilfe eines Prismas oder Gitters in einen Regenbogen von Farben auf und messen dann die Helligkeit jeder Farbe. Da das Licht eine bestimmte Distanz zurücklegen muss, um richtig getrennt zu werden, sind herkömmliche Spektrometer in der Regel groß und teuer.
Was ist ein Spektrometerchip und wie funktioniert er?
Ein Spektrometerchip ist eine miniaturisierte Version eines herkömmlichen Spektrometers. Ingenieure bauen alle lichtempfindlichen Komponenten direkt auf einem winzigen Stück Silizium auf. Dieser Chip erfüllt die gleiche Kernaufgabe wie ein vollwertiges Laborgerät – er identifiziert die chemische Zusammensetzung eines Materials durch Lichtanalyse –, tut dies jedoch ohne sperrige optische Teile.
Ein herkömmliches Spektrometer verteilt Licht mithilfe eines Glasprismas oder eines Beugungsgitters physikalisch in ein Spektrum. Ein Spektrometerchip verfolgt einen anderen Ansatz. Anstatt das Licht physisch zu trennen, verwendet dieser Chip eine Reihe kleiner Fotodetektoren. Jeder Detektor reagiert auf einen leicht unterschiedlichen Wellenlängenbereich. Jedes Pixel im Sensorarray empfängt selektiv Licht und erzeugt spektral gefilterte Signale, auf die ein Controller zugreifen kann.
Die Signale der Detektoren sind codiert und überlappen sich – kein einzelner Detektor liefert eine saubere Messung einer Farbe. Eine Verarbeitungseinheit – häufig mit maschinellem Lernen – analysiert dann alle Signale zusammen und rekonstruiert das gesamte Spektrum rechnerisch. Dieser Ansatz ersetzt die physikalische Aufgabe eines Prismas durch eine mathematische Berechnung.
Das Ergebnis ist ein Gerät, das auf die Fingerspitze passt und dennoch Chemikalien identifiziert, Krankheitsmarker erkennt oder die Lebensmittelqualität durch Analyse von reflektiertem oder durchgelassenem Licht beurteilt.
Der Vorstoß, Spektrometer kleiner zu machen
Seit Jahren arbeiten Wissenschaftler daran, Spektrometer zu verkleinern. Die Größenreduzierung reichte von Tischgeräten mit einer Stellfläche von 200 cm² bis hin zu Handmikrospektrometern mit einer Stellfläche von 40 mm². Jede Verkleinerung hat auch zu einer Kostensenkung geführt und diese Technologie zugänglicher gemacht.
Ein Forschungsteam der University of Michigan hat ein papierdünnes Miniaturspektrometer mit einer Größe von nur 0,16 mm² entwickelt, das rauen Umgebungen standhält. Forscher haben dieses Gerät entwickelt, um den Schweiß eines Sportlers über ein tragbares Hautpflaster zu analysieren. Diese Bemühungen zeigten, dass kleinere Spektrometer möglich waren, die Forscher wollten jedoch noch weiter gehen.
Der neue winzige Chip von UC Davis
Nun haben Forscher der University of California Davis (UC Davis) einen Spektrometerchip gebaut, der annähernd die Größe eines Sandkorns hat. Dieser Chip misst weniger als einen halben Quadratmillimeter. Dieses Team unter der Leitung von Professor Saif Islam veröffentlichte die Ergebnisse in der Fachzeitschrift Advanced Photonics.
„Wir wollten diese Kraft aus dem Labor mitnehmen und in die Tasche stecken“, sagte der Postdoktorand Ahasan Ahamed, der Erstautor der Arbeit.
So funktioniert der UC Davis-Chip
Der UC Davis-Chip verwendet kein Prisma oder Gitter zur Lichttrennung. Stattdessen basiert es auf einem kleinen Satz Sensoren in Kombination mit künstlicher Intelligenz (KI).
Dieser Chip verwendet sechzehn Silizium-Fotodetektoren, wobei jeder Fotodetektor auf eine andere Lichtwellenlänge reagiert. Jeder Fotodetektor erfasst nur einen Teil der Spektralinformationen. Zusammen sammeln die sechzehn Fotodetektoren genügend Daten, damit ein neuronales Netzwerk das gesamte Lichtspektrum rekonstruieren kann.
Stellen Sie sich diese sechzehn Fotodetektoren als eine Gruppe von Verkostern vor, die ein komplexes Gericht probieren. Kein einzelner Verkoster identifiziert jede Zutat, aber zusammen liefern sie genug Informationen, damit ein ausgebildeter Experte das Rezept benennen kann. Die KI übernimmt die Rolle dieses Experten.
Der KI-gestützte Chip kann die Signalklarheit auch bei erheblichen elektrischen Störungen aufrechterhalten – eine große Herausforderung bei tragbaren, kostengünstigen Elektronikgeräten.
Erweiterung der Empfindlichkeit in den Infrarotbereich
Eine zentrale technische Herausforderung bestand darin, die Empfindlichkeit des Chips über das sichtbare Licht hinaus zu erweitern. Siliziumsensoren funktionieren gut für sichtbare Wellenlängen, haben aber normalerweise Schwierigkeiten, Licht im nahen Infrarot (NIR) zu erkennen – Wellenlängen bis zu 1100 nm. NIR-Licht ist für medizinische Anwendungen von Bedeutung, da es tiefer in menschliches Gewebe eindringen kann als sichtbares Licht.
Das Team von UC Davis löste dieses Problem, indem es die Oberfläche der Siliziumdetektoren mit photoneneinfangenden Oberflächenstrukturen texturierte. Ihr Chip deckt einen breiten Spektralbereich von 300 nm bis 1100 nm ab, vergleichbar mit der Größe eines Sandkorns. Die strukturierten Oberflächen streuen NIR-Photonen wiederholt in die Siliziumschicht und erhöhen so die Wahrscheinlichkeit, dass das Material sie absorbiert.
Messung ultraschneller Lichtereignisse
Über die Messung der Farbe hinaus kann dieser Chip auch verfolgen, wie lange Photonen in einem Material überleben. Dieser Chip enthält Hochgeschwindigkeitssensoren, die die Photonenlebensdauer mit großer Präzision messen. Mit dieser Fähigkeit kann ihr Gerät ultraschnelle Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie erkennen, die herkömmlichen Spektrometern oft entgehen.
Für welche Aufgaben nutzen Wissenschaftler diesen Chip?
Das Miniaturdesign eröffnet viele praktische Anwendungsmöglichkeiten.
Medizin: Ärzte könnten kleine, tragbare Geräte nutzen, um Krankheiten direkt am Behandlungsort zu diagnostizieren. Ein tragbarer Monitor mit diesem Chip könnte die Blutchemie eines Patienten durch die Haut in Echtzeit verfolgen.
Lebensmittelsicherheit: Diese Technologie könnte den Gesundheitszustand der Pflanzen auf einem Feld beurteilen oder die Bodenqualität messen. Verbraucher oder Lebensmittelhersteller könnten ihre Produkte scannen, um deren Frische zu prüfen oder Verunreinigungen zu erkennen, ohne Proben an ein Labor schicken zu müssen.
Umfeld: Forscher haben außerdem kompakte hyperspektrale Spektrometer-on-Chip-Systeme für die Erdbeobachtung entwickelt, die eine präzise Analyse der Pflanzen- und Bodenbedingungen ermöglichen. Ein so kleiner Chip könnte in Drohnen oder Satelliten zur großflächigen Umweltüberwachung passen.
Alltagsgeräte: „Wir ebnen den Weg für eine Zukunft, in der Ihre Uhr oder Ihr Telefon nicht nur Bilder macht, sondern die chemische Welt um Sie herum analysiert“, erklärte das Team von UC Davis.
Die Kombination aus KI und miniaturisierter Hardware ist die entscheidende Erkenntnis hinter diesem Fortschritt. Der Chip benötigt keine sperrigen optischen Komponenten, da das neuronale Netzwerk die Rechenarbeit übernimmt, die früher die Optik physikalisch erledigte. Dieser Wandel im Ansatz – von der Hardware-Trennung zur Software-Rekonstruktion – könnte die nächste Generation von Sensorgeräten definieren.
