Tháp rơi tự do
Intern Writer
Phòng thí nghiệm iGaN của Giáo sư Sun Haiding tại Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc, phối hợp với nhóm nghiên cứu của Viện sĩ Liu Sheng tại Đại học Vũ Hán, đã phát triển thành công chip quang phổ tử ngoại thu nhỏ và đạt được khả năng chụp ảnh quang phổ trên chip.
Con chip này dựa trên kiến trúc điốt quang xếp tầng gallium nitride (GaN) mới và được tích hợp sâu với thuật toán mạng nơ-ron sâu (DNN), cho phép phát hiện quang phổ với độ chính xác cao và hình ảnh đa quang phổ độ phân giải cao. Tốc độ phản hồi quang phổ của nó đạt đến mức nano giây (tốc độ phản hồi nhanh nhất trong số các máy quang phổ vi mô được báo cáo trên toàn thế giới).
Thành tựu này không chỉ lấp đầy khoảng trống trong công nghệ vi quang phổ dải tia cực tím mà còn chứng minh tiềm năng của nó trong sản xuất quy mô lớn các chip phân tích quang phổ nhỏ gọn, di động và chip chụp ảnh quang phổ nhanh, cũng như triển vọng ứng dụng rộng rãi trong phát hiện thời gian thực tốc độ cao các phân tử sinh học và vật chất hữu cơ, công nghệ cảm biến tích hợp trên chip và các lĩnh vực khác.
Các nhà đánh giá kết luận rằng chip quang phổ tử ngoại được phát triển trong bài báo này rất kịp thời, và tốc độ phản hồi cực nhanh của nó là một lợi thế hiệu suất đáng kể. Điều này cung cấp một giải pháp đơn giản và chi phí thấp cho sự phát triển của toàn bộ lĩnh vực vi quang phổ, có thể được sản xuất và ứng dụng trên quy mô lớn trong tương lai.
Quá trình chụp ảnh quang phổ của máy quang phổ tử ngoại thu nhỏ
Khi Tiến sĩ Yu Huabin lần đầu tiên gia nhập phòng thí nghiệm iGaN của Giáo sư Sun Haiding tại Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc (USTC) sau khi được tiến cử vào chương trình nghiên cứu sau đại học trong những năm đại học, dự án nghiên cứu đầu tiên của ông là phát triển điốt phát quang (LED) tia cực tím hiệu suất cao. Các nguồn sáng bán dẫn nhỏ gọn và tiết kiệm năng lượng này có những ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực như khử trùng và tiệt trùng, xử lý bằng tia cực tím, truyền thông quang học không cần tầm nhìn trực tiếp, điều trị da và xử lý công nghiệp.
Sau khi trở thành nghiên cứu sinh tiến sĩ, dưới sự hướng dẫn của Giáo sư Sun Haiding, ông tập trung vào các thiết bị quang điện tử bán dẫn và chip tích hợp dựa trên vật liệu gallium nitride (GaN) và aluminum gallium nitride (AlGaN), bao gồm micro-LED và nano-LED tia cực tím, bộ dò băng thông rộng tia cực tím-hồng ngoại và chip tích hợp truyền tín hiệu trên chip.
Trong các dự án nghiên cứu này, máy quang phổ đã trở thành "trợ lý" nghiên cứu không thể thiếu đối với ông và nhóm của mình. Những máy quang phổ, dù lớn hay nhỏ, đều là công cụ quan trọng để nhanh chóng nắm bắt và hiểu rõ các tính chất quang học và vật lý khác của vật liệu bán dẫn. Máy quang phổ có thể giúp chúng ta phân tích các thông số quan trọng như độ rộng vùng cấm và chất lượng tinh thể của vật liệu bán dẫn, cũng như hiệu suất tái kết hợp bức xạ và đặc tính đáp ứng quang phổ của các thiết bị quang điện tử.
Tuy nhiên, đồng thời, ông và nhóm của mình cũng nhận thấy rõ những hạn chế của các máy quang phổ truyền thống: một thiết bị đơn lẻ thường chiếm gần một nửa diện tích bàn thí nghiệm quang học, cồng kềnh, có đường dẫn quang học phức tạp và phản hồi chậm đối với việc hiệu chuẩn và gỡ lỗi cách tử, điều này còn xa mới đáp ứng được nhu cầu trong tương lai về phát hiện thời gian thực và các ứng dụng di động.
Phòng thí nghiệm USTC iGaN)
Ông và nhóm của mình thường ngồi ở bàn thí nghiệm, ngắm nhìn chiếc máy quang phổ khổng lồ và tưởng tượng: nếu một ngày nào đó máy quang phổ có thể được thu nhỏ xuống kích thước bằng đầu ngón tay, chúng ta có thể tích hợp nó vào điện thoại di động, đồng hồ thông minh, hoặc thậm chí là máy bay không người lái, cho phép máy quang phổ rời khỏi phòng thí nghiệm và đi vào cuộc sống thường nhật.
Máy quang phổ để bàn truyền thống và máy quang phổ thu nhỏ
Khi hoạt động dưới các điện áp phân cực khác nhau, đường cong đáp ứng của mỗi điốt đối với ánh sáng cực tím thay đổi đáng kể. Sự thay đổi này chủ yếu xuất phát từ sự khác biệt về phân bố, hiệu suất tách và xác suất tái kết hợp của các hạt tải điện được tạo ra bởi ánh sáng dưới các điều kiện điện trường khác nhau, làm thay đổi hiệu suất hấp thụ và chuyển đổi photon có bước sóng khác nhau của thiết bị.
Thông tin quang phổ không còn phụ thuộc vào các hệ thống quang phổ truyền thống cồng kềnh và phức tạp về mặt cơ khí, mà thay vào đó được thu thập thông qua việc quét điện áp trên một con chip nhỏ. Đồng thời, các thuật toán mạng nơ-ron sâu được sử dụng để kết hợp các tín hiệu kênh này nhằm tái tạo một đường cong quang phổ hoàn chỉnh, cải thiện đáng kể độ phân giải.
Nguyên lý hoạt động của điốt NPN mắc nối tiếp (Nguồn: Nature Photonics)
Quan trọng hơn, thiết bị này có thể được chế tạo trên một mảng lớn trên tấm wafer 2 inch và tích hợp vào chip chụp ảnh quang phổ thông qua phương pháp ghép nối. Trong kiến trúc này, các điốt quang mắc nối tiếp có thể điều khiển chính xác hành vi vận chuyển phụ thuộc bước sóng của các hạt tải điện bằng cách áp dụng điện áp phân cực bên ngoài, từ đó đạt được phản hồi quang phổ hai chiều có thể điều chỉnh bằng điện áp. Kết hợp với các thuật toán mạng nơ-ron sâu, chip này có thể tái tạo các phổ chưa biết với độ chính xác cao.
Kết quả thực nghiệm cho thấy chip chụp ảnh quang phổ này thể hiện hiệu suất cực cao trong dải tia cực tím 250-365 nm: tái tạo quang phổ chính xác, tốc độ phản hồi cực nhanh, độ phân giải quang phổ lên đến 0,62 nm và thời gian phản hồi dưới 10 nan giây, nhanh hơn hàng nghìn lần so với hầu hết các máy quang phổ thu nhỏ hiện có, đạt được khả năng phát hiện và cảm biến quang phổ nhanh nhất thế giới. Điều này không chỉ có nghĩa là nó có thể thu nhận quang phổ mà còn theo dõi các quá trình vật lý và hóa học thoáng qua trong thời gian thực.
Dựa trên chip quang phổ thu nhỏ này, nhóm nghiên cứu đã tiếp tục thực hiện phân giải không gian và chụp ảnh trực tiếp một lần các mẫu giọt của các hợp chất hữu cơ khác nhau (dầu ô liu A, dầu lạc B, mỡ động vật C và sữa D). Mỗi pixel có thể thu nhận tín hiệu dòng quang điện phụ thuộc vào bước sóng, tạo thành một bộ dữ liệu ba chiều hoàn chỉnh. Sau khi tái tạo quang phổ bằng mạng nơ-ron, các hình ảnh quang phổ độ phân giải cao đã được tạo ra thành công, thể hiện rõ đặc điểm hấp thụ độc đáo và sự phân bố không gian của các hợp chất hữu cơ khác nhau trong dải tia cực tím.
Thành tựu này chứng minh rằng các chip quang phổ và hình ảnh tia cực tím thu nhỏ có tiềm năng ứng dụng to lớn trong các lĩnh vực như phát hiện chất hữu cơ, an toàn thực phẩm và giám sát môi trường. Đây cũng là lần đầu tiên các máy quang phổ tia cực tím được tích hợp thực sự vào chip, tạo nên bước nhảy vọt từ "thiết bị cồng kềnh" sang "chip thông minh".
Quan trọng hơn, Sun Haiding nói thêm, "Trong quá trình thử nghiệm và trình diễn, người hướng dẫn của nhóm chúng tôi, Viện sĩ Lưu Sinh, đã chỉ dẫn một số chi tiết kỹ thuật quan trọng, bao gồm cấu trúc máy quang phổ, quy trình tăng trưởng epitaxy của vật liệu nitrit, và việc tích hợp nguyên khối và đóng gói thiết bị. Ông cũng hướng dẫn chúng tôi lập kế hoạch công nghiệp hóa ban đầu, bao gồm cả việc nộp đơn xin cấp bằng sáng chế. Công nghệ này dự kiến sẽ giảm chi phí của máy ảnh quang phổ xuống còn một phần trăm so với các giải pháp kỹ thuật truyền thống, cho phép máy quang phổ thực sự đạt được khả năng ứng dụng rộng rãi, quy mô lớn và chi phí thấp."
Ả
Nhóm nghiên cứu tin rằng, "Giống như sự tiến bộ không ngừng của công nghệ chip CCD/CMOS dựa trên silicon đã từng thúc đẩy việc sử dụng rộng rãi máy ảnh kỹ thuật số, sự ra đời của chip vi quang phổ dựa trên gallium nitride mới này được kỳ vọng sẽ đưa công nghệ hình ảnh quang phổ bước vào một vòng nâng cấp công nghiệp mới, đặc biệt là cung cấp những ý tưởng và giải pháp mới cho ứng dụng quy mô lớn của các công nghệ quang phổ thu nhỏ, di động và đeo được thế hệ tiếp theo."
An toàn thực phẩm hàng ngày
Chỉ cần quét một quả táo bằng điện thoại để phát hiện ngay dư lượng thuốc trừ sâu; kiểm tra một ly sữa để xác định xem có chứa melamine hay không. Việc kiểm tra thực phẩm không còn cần đến phòng thí nghiệm và chuyên gia; nó đơn giản và nhanh chóng như quét mã QR để thanh toán.
Theo dõi y tế và sức khỏe
Đối với bệnh nhân tiểu đường, việc chích máu đầu ngón tay hàng ngày để kiểm tra đường huyết là một trải nghiệm đau đớn kéo dài. Trong tương lai, con chip này có thể được tích hợp vào vòng đeo tay thông minh, cho phép theo dõi đường huyết theo thời gian thực, không xâm lấn. Không còn chích kim, không còn chờ đợi – dữ liệu sức khỏe sẽ luôn nằm trong tầm tay bạn.
Bảo vệ môi trường và giám sát tình trạng khẩn cấp
Máy bay không người lái này được trang bị chip quang phổ, có khả năng giám sát sự phân bố các chất ô nhiễm không khí theo thời gian thực trên các thành phố; tại hiện trường vụ cháy, nổ hoặc rò rỉ hóa chất, nó có thể nhanh chóng xác định các khí độc hại trong không khí, giúp tiết kiệm thời gian quý báu cho công tác cứu hộ và xử lý.
Nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghiệp
Trong phòng thí nghiệm, nó có thể ghi lại những thay đổi tức thời trong các phản ứng hóa học ở tốc độ nano giây, quan sát đặc tính quang phổ của các quá trình đốt cháy, và thậm chí theo dõi các sự kiện sinh học ngắn ngủi. Những thí nghiệm này, trước đây đòi hỏi thiết bị đắt tiền và cồng kềnh, giờ đây có thể được thực hiện chỉ với một con chip duy nhất.
Khi công nghệ này hoàn thiện hơn, chip quang phổ này có thể được tích hợp vào điện thoại di động, máy bay không người lái và các thiết bị đeo được. Điều đó có nghĩa là cuộc sống thường nhật trong tương lai có thể là một trải nghiệm "khoa học viễn tưởng trở thành hiện thực".
Ngoài ra, máy quang phổ thu nhỏ có chi phí thấp và có thể được tích hợp với các cảm biến khác để xây dựng hệ thống giám sát phân tán quy mô lớn, cho phép nhận thức ba chiều về giám sát cộng tác đa thông số và hình thành mạng lưới giám sát với phạm vi phủ sóng rộng, mật độ cao và bao phủ toàn bộ quy trình.
Quan trọng hơn, máy quang phổ hoặc máy ảnh quang phổ dựa trên chip có thể dễ dàng tích hợp vào điện thoại di động và thiết bị đeo được, cho phép mọi người xác định dư lượng thuốc trừ sâu trên bề mặt trái cây và rau quả, phân biệt tính xác thực của chất liệu trang sức, phát hiện các thành phần cụ thể trong hơi thở và xác định độ tinh khiết của nước uống cũng như hàm lượng chất gây ô nhiễm trong không khí mọi lúc mọi nơi.
Phương pháp phân tích quang phổ di động này không chỉ phá vỡ sự phụ thuộc của phân tích quang phổ truyền thống vào các kịch bản chuyên nghiệp và thiết bị quy mô lớn, mà còn cho phép công chúng tận hưởng sự an toàn và tiện lợi do công nghệ mang lại với rào cản gia nhập cực thấp. Có lẽ trong tương lai gần, máy quang phổ thu nhỏ sẽ định nghĩa lại ranh giới ứng dụng của công nghệ phân tích quang phổ, tạo động lực mới cho cuộc sống thông minh và nâng cấp công nghiệp.
Con chip này dựa trên kiến trúc điốt quang xếp tầng gallium nitride (GaN) mới và được tích hợp sâu với thuật toán mạng nơ-ron sâu (DNN), cho phép phát hiện quang phổ với độ chính xác cao và hình ảnh đa quang phổ độ phân giải cao. Tốc độ phản hồi quang phổ của nó đạt đến mức nano giây (tốc độ phản hồi nhanh nhất trong số các máy quang phổ vi mô được báo cáo trên toàn thế giới).
Thành tựu này không chỉ lấp đầy khoảng trống trong công nghệ vi quang phổ dải tia cực tím mà còn chứng minh tiềm năng của nó trong sản xuất quy mô lớn các chip phân tích quang phổ nhỏ gọn, di động và chip chụp ảnh quang phổ nhanh, cũng như triển vọng ứng dụng rộng rãi trong phát hiện thời gian thực tốc độ cao các phân tử sinh học và vật chất hữu cơ, công nghệ cảm biến tích hợp trên chip và các lĩnh vực khác.
Các nhà đánh giá kết luận rằng chip quang phổ tử ngoại được phát triển trong bài báo này rất kịp thời, và tốc độ phản hồi cực nhanh của nó là một lợi thế hiệu suất đáng kể. Điều này cung cấp một giải pháp đơn giản và chi phí thấp cho sự phát triển của toàn bộ lĩnh vực vi quang phổ, có thể được sản xuất và ứng dụng trên quy mô lớn trong tương lai.
Quá trình chụp ảnh quang phổ của máy quang phổ tử ngoại thu nhỏ
Khi Tiến sĩ Yu Huabin lần đầu tiên gia nhập phòng thí nghiệm iGaN của Giáo sư Sun Haiding tại Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc (USTC) sau khi được tiến cử vào chương trình nghiên cứu sau đại học trong những năm đại học, dự án nghiên cứu đầu tiên của ông là phát triển điốt phát quang (LED) tia cực tím hiệu suất cao. Các nguồn sáng bán dẫn nhỏ gọn và tiết kiệm năng lượng này có những ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vực như khử trùng và tiệt trùng, xử lý bằng tia cực tím, truyền thông quang học không cần tầm nhìn trực tiếp, điều trị da và xử lý công nghiệp.
Sau khi trở thành nghiên cứu sinh tiến sĩ, dưới sự hướng dẫn của Giáo sư Sun Haiding, ông tập trung vào các thiết bị quang điện tử bán dẫn và chip tích hợp dựa trên vật liệu gallium nitride (GaN) và aluminum gallium nitride (AlGaN), bao gồm micro-LED và nano-LED tia cực tím, bộ dò băng thông rộng tia cực tím-hồng ngoại và chip tích hợp truyền tín hiệu trên chip.
Trong các dự án nghiên cứu này, máy quang phổ đã trở thành "trợ lý" nghiên cứu không thể thiếu đối với ông và nhóm của mình. Những máy quang phổ, dù lớn hay nhỏ, đều là công cụ quan trọng để nhanh chóng nắm bắt và hiểu rõ các tính chất quang học và vật lý khác của vật liệu bán dẫn. Máy quang phổ có thể giúp chúng ta phân tích các thông số quan trọng như độ rộng vùng cấm và chất lượng tinh thể của vật liệu bán dẫn, cũng như hiệu suất tái kết hợp bức xạ và đặc tính đáp ứng quang phổ của các thiết bị quang điện tử.
Tuy nhiên, đồng thời, ông và nhóm của mình cũng nhận thấy rõ những hạn chế của các máy quang phổ truyền thống: một thiết bị đơn lẻ thường chiếm gần một nửa diện tích bàn thí nghiệm quang học, cồng kềnh, có đường dẫn quang học phức tạp và phản hồi chậm đối với việc hiệu chuẩn và gỡ lỗi cách tử, điều này còn xa mới đáp ứng được nhu cầu trong tương lai về phát hiện thời gian thực và các ứng dụng di động.
Phòng thí nghiệm USTC iGaN)
Ông và nhóm của mình thường ngồi ở bàn thí nghiệm, ngắm nhìn chiếc máy quang phổ khổng lồ và tưởng tượng: nếu một ngày nào đó máy quang phổ có thể được thu nhỏ xuống kích thước bằng đầu ngón tay, chúng ta có thể tích hợp nó vào điện thoại di động, đồng hồ thông minh, hoặc thậm chí là máy bay không người lái, cho phép máy quang phổ rời khỏi phòng thí nghiệm và đi vào cuộc sống thường nhật.
Máy quang phổ để bàn truyền thống và máy quang phổ thu nhỏ
Dưới sự hướng dẫn chung của Giáo sư Sun Haiding thuộc Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc và Viện sĩ Liu Sheng thuộc Đại học Vũ Hán, Yu Huabin và nhóm của ông, sau nhiều lần lên ý tưởng, thiết kế mô phỏng và kiểm chứng thực nghiệm, cuối cùng đã thiết kế và đề xuất một điốt quang NPN mắc nối tiếp dựa trên cấu trúc dị thể GaN/AlGaN, bao gồm một điốt tiếp giáp NP và một điốt tiếp giáp PN được kết nối ngược chiều nhau. Sự xuất hiện của cấu trúc mới này thể hiện một cách tiếp cận thiết kế hoàn toàn khác so với các máy quang phổ truyền thống vì:Khi hoạt động dưới các điện áp phân cực khác nhau, đường cong đáp ứng của mỗi điốt đối với ánh sáng cực tím thay đổi đáng kể. Sự thay đổi này chủ yếu xuất phát từ sự khác biệt về phân bố, hiệu suất tách và xác suất tái kết hợp của các hạt tải điện được tạo ra bởi ánh sáng dưới các điều kiện điện trường khác nhau, làm thay đổi hiệu suất hấp thụ và chuyển đổi photon có bước sóng khác nhau của thiết bị.
Thông tin quang phổ không còn phụ thuộc vào các hệ thống quang phổ truyền thống cồng kềnh và phức tạp về mặt cơ khí, mà thay vào đó được thu thập thông qua việc quét điện áp trên một con chip nhỏ. Đồng thời, các thuật toán mạng nơ-ron sâu được sử dụng để kết hợp các tín hiệu kênh này nhằm tái tạo một đường cong quang phổ hoàn chỉnh, cải thiện đáng kể độ phân giải.
Nguyên lý hoạt động của điốt NPN mắc nối tiếp (Nguồn: Nature Photonics)
Quan trọng hơn, thiết bị này có thể được chế tạo trên một mảng lớn trên tấm wafer 2 inch và tích hợp vào chip chụp ảnh quang phổ thông qua phương pháp ghép nối. Trong kiến trúc này, các điốt quang mắc nối tiếp có thể điều khiển chính xác hành vi vận chuyển phụ thuộc bước sóng của các hạt tải điện bằng cách áp dụng điện áp phân cực bên ngoài, từ đó đạt được phản hồi quang phổ hai chiều có thể điều chỉnh bằng điện áp. Kết hợp với các thuật toán mạng nơ-ron sâu, chip này có thể tái tạo các phổ chưa biết với độ chính xác cao.
Kết quả thực nghiệm cho thấy chip chụp ảnh quang phổ này thể hiện hiệu suất cực cao trong dải tia cực tím 250-365 nm: tái tạo quang phổ chính xác, tốc độ phản hồi cực nhanh, độ phân giải quang phổ lên đến 0,62 nm và thời gian phản hồi dưới 10 nan giây, nhanh hơn hàng nghìn lần so với hầu hết các máy quang phổ thu nhỏ hiện có, đạt được khả năng phát hiện và cảm biến quang phổ nhanh nhất thế giới. Điều này không chỉ có nghĩa là nó có thể thu nhận quang phổ mà còn theo dõi các quá trình vật lý và hóa học thoáng qua trong thời gian thực.
Dựa trên chip quang phổ thu nhỏ này, nhóm nghiên cứu đã tiếp tục thực hiện phân giải không gian và chụp ảnh trực tiếp một lần các mẫu giọt của các hợp chất hữu cơ khác nhau (dầu ô liu A, dầu lạc B, mỡ động vật C và sữa D). Mỗi pixel có thể thu nhận tín hiệu dòng quang điện phụ thuộc vào bước sóng, tạo thành một bộ dữ liệu ba chiều hoàn chỉnh. Sau khi tái tạo quang phổ bằng mạng nơ-ron, các hình ảnh quang phổ độ phân giải cao đã được tạo ra thành công, thể hiện rõ đặc điểm hấp thụ độc đáo và sự phân bố không gian của các hợp chất hữu cơ khác nhau trong dải tia cực tím.
Thành tựu này chứng minh rằng các chip quang phổ và hình ảnh tia cực tím thu nhỏ có tiềm năng ứng dụng to lớn trong các lĩnh vực như phát hiện chất hữu cơ, an toàn thực phẩm và giám sát môi trường. Đây cũng là lần đầu tiên các máy quang phổ tia cực tím được tích hợp thực sự vào chip, tạo nên bước nhảy vọt từ "thiết bị cồng kềnh" sang "chip thông minh".
Quan trọng hơn, Sun Haiding nói thêm, "Trong quá trình thử nghiệm và trình diễn, người hướng dẫn của nhóm chúng tôi, Viện sĩ Lưu Sinh, đã chỉ dẫn một số chi tiết kỹ thuật quan trọng, bao gồm cấu trúc máy quang phổ, quy trình tăng trưởng epitaxy của vật liệu nitrit, và việc tích hợp nguyên khối và đóng gói thiết bị. Ông cũng hướng dẫn chúng tôi lập kế hoạch công nghiệp hóa ban đầu, bao gồm cả việc nộp đơn xin cấp bằng sáng chế. Công nghệ này dự kiến sẽ giảm chi phí của máy ảnh quang phổ xuống còn một phần trăm so với các giải pháp kỹ thuật truyền thống, cho phép máy quang phổ thực sự đạt được khả năng ứng dụng rộng rãi, quy mô lớn và chi phí thấp."
Nhóm nghiên cứu tin rằng, "Giống như sự tiến bộ không ngừng của công nghệ chip CCD/CMOS dựa trên silicon đã từng thúc đẩy việc sử dụng rộng rãi máy ảnh kỹ thuật số, sự ra đời của chip vi quang phổ dựa trên gallium nitride mới này được kỳ vọng sẽ đưa công nghệ hình ảnh quang phổ bước vào một vòng nâng cấp công nghiệp mới, đặc biệt là cung cấp những ý tưởng và giải pháp mới cho ứng dụng quy mô lớn của các công nghệ quang phổ thu nhỏ, di động và đeo được thế hệ tiếp theo."
Ứng dụng của chip quang phổ
Thành tựu này là chip quang phổ tử ngoại thu nhỏ đầu tiên trên thế giới, không chỉ lấp đầy khoảng trống công nghệ trong lĩnh vực quang phổ tử ngoại thu nhỏ mà còn cho phép các nhóm nghiên cứu Trung Quốc đạt được bước tiến vượt bậc từ vị trí "theo sau" lên "dẫn đầu" trong lĩnh vực nghiên cứu tiên tiến về quang phổ thu nhỏ.An toàn thực phẩm hàng ngày
Chỉ cần quét một quả táo bằng điện thoại để phát hiện ngay dư lượng thuốc trừ sâu; kiểm tra một ly sữa để xác định xem có chứa melamine hay không. Việc kiểm tra thực phẩm không còn cần đến phòng thí nghiệm và chuyên gia; nó đơn giản và nhanh chóng như quét mã QR để thanh toán.
Theo dõi y tế và sức khỏe
Đối với bệnh nhân tiểu đường, việc chích máu đầu ngón tay hàng ngày để kiểm tra đường huyết là một trải nghiệm đau đớn kéo dài. Trong tương lai, con chip này có thể được tích hợp vào vòng đeo tay thông minh, cho phép theo dõi đường huyết theo thời gian thực, không xâm lấn. Không còn chích kim, không còn chờ đợi – dữ liệu sức khỏe sẽ luôn nằm trong tầm tay bạn.
Bảo vệ môi trường và giám sát tình trạng khẩn cấp
Máy bay không người lái này được trang bị chip quang phổ, có khả năng giám sát sự phân bố các chất ô nhiễm không khí theo thời gian thực trên các thành phố; tại hiện trường vụ cháy, nổ hoặc rò rỉ hóa chất, nó có thể nhanh chóng xác định các khí độc hại trong không khí, giúp tiết kiệm thời gian quý báu cho công tác cứu hộ và xử lý.
Nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghiệp
Trong phòng thí nghiệm, nó có thể ghi lại những thay đổi tức thời trong các phản ứng hóa học ở tốc độ nano giây, quan sát đặc tính quang phổ của các quá trình đốt cháy, và thậm chí theo dõi các sự kiện sinh học ngắn ngủi. Những thí nghiệm này, trước đây đòi hỏi thiết bị đắt tiền và cồng kềnh, giờ đây có thể được thực hiện chỉ với một con chip duy nhất.
Khi công nghệ này hoàn thiện hơn, chip quang phổ này có thể được tích hợp vào điện thoại di động, máy bay không người lái và các thiết bị đeo được. Điều đó có nghĩa là cuộc sống thường nhật trong tương lai có thể là một trải nghiệm "khoa học viễn tưởng trở thành hiện thực".
- Khi đi mua sắm, điện thoại của bạn có thể cho bạn biết độ tươi của các nguyên liệu
- Trong quá trình tập luyện, vòng đeo tay theo dõi trạng thái trao đổi chất của cơ thể theo thời gian thực
- Khi bạn đi du lịch, máy bay không người lái có thể tạo ra bản đồ chất lượng không khí cho bạn
- Trong y học, các bác sĩ thu được toàn bộ dữ liệu về quá trình trao đổi chất thông qua một con chip nhỏ.
Ngoài ra, máy quang phổ thu nhỏ có chi phí thấp và có thể được tích hợp với các cảm biến khác để xây dựng hệ thống giám sát phân tán quy mô lớn, cho phép nhận thức ba chiều về giám sát cộng tác đa thông số và hình thành mạng lưới giám sát với phạm vi phủ sóng rộng, mật độ cao và bao phủ toàn bộ quy trình.
Quan trọng hơn, máy quang phổ hoặc máy ảnh quang phổ dựa trên chip có thể dễ dàng tích hợp vào điện thoại di động và thiết bị đeo được, cho phép mọi người xác định dư lượng thuốc trừ sâu trên bề mặt trái cây và rau quả, phân biệt tính xác thực của chất liệu trang sức, phát hiện các thành phần cụ thể trong hơi thở và xác định độ tinh khiết của nước uống cũng như hàm lượng chất gây ô nhiễm trong không khí mọi lúc mọi nơi.
Phương pháp phân tích quang phổ di động này không chỉ phá vỡ sự phụ thuộc của phân tích quang phổ truyền thống vào các kịch bản chuyên nghiệp và thiết bị quy mô lớn, mà còn cho phép công chúng tận hưởng sự an toàn và tiện lợi do công nghệ mang lại với rào cản gia nhập cực thấp. Có lẽ trong tương lai gần, máy quang phổ thu nhỏ sẽ định nghĩa lại ranh giới ứng dụng của công nghệ phân tích quang phổ, tạo động lực mới cho cuộc sống thông minh và nâng cấp công nghiệp.
