通過對智能手機進行基于光子學的創新改造——結合微型、低成本的紅外光譜儀，可以讓用戶借助手機識別假藥、測試水樣、檢查空氣質量。

據麥姆斯咨詢報道，近日，德國弗勞恩霍夫電子納米系統研究所（Fraunhofer ENAS）開發出僅重1克的微型光譜儀，使上述針對智能手機的創新改造過程成為可能。該研究所的目標是希望利用傳統技術以不到1歐元（約1.20美元）的成本批量生產這款光譜儀。

利用晶圓探針測試光譜儀芯片

弗勞恩霍夫電子納米系統研究所多器件集成主管Alexander Wei?博士表示：“我們的紅外光譜儀僅重約1克，計劃生產成本低于1歐元。這將使其能夠集成到智能手機之中，用戶可以方便地進行各種物質成分檢測。”

目前，紅外光譜儀的重量通常重達數公斤，生產成本高達數千歐元。弗勞恩霍夫電子納米系統研究所團隊表示，雖然重量稍輕的可移動光譜儀確實存在，但它們不適合大眾消費市場——無論是在成本和尺寸方面，還是在操作和分析結果呈現方面。

針對大眾消費市場存在的其他關鍵要求：技術不能過于復雜——換言之，它必須易于操作——并且批量生產方法必須適合大眾消費市場。

各種應用

光譜儀的潛在應用絕不僅限于識別假藥。“我們的光譜儀適用于各種用途——例如評估人類和動物的食物成熟度，測量室內和車內空氣質量，檢測空氣、水或食品中的污染物。”Alexander Wei?博士補充道。

與傳統的紅外光譜儀一樣，這款新型光譜儀也通過發射紅外范圍內的光束來進行工作。然后利用可調濾光器將不同波長的光束分散，并通過集成波導將其傳導至檢測器。例如，具有納米結構的光柵耦合器將待測試的藥丸反射的光束耦合到集成波導中。如果要檢測空氣質量，則光束會進入集成在一個平面上的特殊吸收單元。

那么，弗勞恩霍夫電子納米系統研究所團隊如何如此大幅度地減小光譜儀的尺寸，但仍能實現光譜儀的通用功能呢？“傳統的光譜儀通常由眾多的分立元器件組成。另一方面，我們將光束引導、波長分散和檢測功能集成在一個平面上——因此我們也稱其為面內光譜儀（inplane spectrometer）。”Alexander Wei?博士說。

簡單又便宜

除了體積小，弗勞恩霍夫電子納米系統研究所還希望操作簡單直觀，因此光譜儀需要為用戶提供清晰的評估。研究人員已經開發出一項技術：“智能”學習算法。“如果有很多人使用這項技術，光譜儀系統就會快速學習并進化。”Alexander Wei?博士表示。

用戶只需要拿出智能手機，通過一款特殊的應用程序啟動光譜儀，然后把它放在測試樣品上即可。用戶還將看到指導他們完成檢測過程的說明。光譜儀自動生成光譜信息，軟件將其與數據庫中的參考光譜進行比較。

另一個癥結是生產光譜儀的成本。研究人員從一開始就考慮到了這一點。Alexander Wei?解釋說：“我們設計的光譜儀可以使用傳統的微系統工程技術實現廉價的批量生產。制造商可以使用大型晶圓代工廠的標準制造工藝。”

研究人員已經生產了第一批光譜儀芯片，并提供了概念驗證。現在多項不同的特征在研究議程上：各個元器件是否根據需要移動？耦合到波導中的光束是否按需要傳輸？這些表征所需的設備由德國微電子研究中心資助。該研究團隊表示，如果這些研究工作按預期進行，那么微型光譜儀可能會在兩年左右的時間內進入大眾消費市場。