Một nhóm kỹ sư từ Đại học Bang North Carolina vừa cho ra mắt một thiết bị quang phổ siêu nhỏ mang tính cách mạng – có thể đặt vừa trên đầu ngón tay và hoạt động ở điện áp thấp, quét ánh sáng từ cực tím (UV) đến cận hồng ngoại (near-infrared) chỉ trong chưa đầy một mili giây.
Thiết bị đột phá này thay thế những máy quang phổ cồng kềnh truyền thống và có thể sớm được tích hợp vào điện thoại thông minh, mở ra khả năng phân tích vật liệu, chẩn đoán y sinh và nhiều ứng dụng khác – ngay trong túi bạn. Bộ thu ánh sáng tí hon này điều chỉnh độ nhạy ánh sáng chỉ bằng những thay đổi điện áp đơn giản, mang lại tốc độ và độ chính xác trong một thiết kế nhỏ hơn cả một điểm ảnh.
Bước đột phá trong công nghệ quang phổ siêu nhỏ
Nghiên cứu mang tính đột phá này mở đường cho các thiết bị quang phổ cầm tay nhỏ gọn và có thể dẫn đến việc tạo ra máy quang phổ hình ảnh có độ phân giải cao dựa trên các mảng cảm biến siêu nhỏ.
“Máy quang phổ là công cụ quan trọng giúp chúng ta hiểu được các đặc tính hóa học và vật lý của vật liệu thông qua cách ánh sáng thay đổi khi tương tác với chúng,” Brendan O’Connor, tác giả chính của nghiên cứu kiêm giáo sư kỹ thuật cơ khí và hàng không vũ trụ tại Đại học Bang North Carolina, cho biết. “Chúng được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, từ sản xuất đến chẩn đoán y sinh. Tuy nhiên, ngay cả những máy quang phổ nhỏ nhất hiện nay vẫn còn khá cồng kềnh.”
“Chúng tôi đã tạo ra một thiết bị quang phổ hoạt động nhanh, ở điện áp thấp và nhạy với nhiều dải ánh sáng,” O’Connor nói. “Nguyên mẫu mà chúng tôi trình diễn chỉ lớn vài milimét vuông – có thể tích hợp vào điện thoại. Nếu muốn, bạn còn có thể làm nó nhỏ bằng một điểm ảnh.”
Thiết kế đổi mới này sử dụng một cảm biến ánh sáng siêu nhỏ có thể thu các bước sóng ánh sáng khác nhau sau khi ánh sáng tương tác với vật liệu. Bằng cách điều chỉnh điện áp đưa vào cảm biến, các nhà nghiên cứu có thể điều khiển bước sóng mà thiết bị phản ứng mạnh nhất.
Tốc độ mili giây với mức tiêu thụ điện cực thấp
“Nếu bạn nhanh chóng áp dụng một dải điện áp vào cảm biến ánh sáng và đo tất cả bước sóng ánh sáng được thu ở mỗi mức điện áp, thì bạn có đủ dữ liệu để cho phép một chương trình tính toán đơn giản tái tạo phổ đặc trưng chính xác của ánh sáng phản xạ hoặc truyền qua vật liệu mục tiêu,” O’Connor giải thích. “Dải điện áp này nhỏ hơn 1 volt và toàn bộ quá trình chỉ mất chưa đến một mili giây.”
Các nỗ lực trước đó nhằm thu nhỏ cảm biến ánh sáng thường phải dựa vào quang học phức tạp, dùng điện áp cao hoặc không nhạy với dải bước sóng rộng như thiết bị này.
Trong các thử nghiệm nguyên mẫu, các nhà nghiên cứu nhận thấy thiết bị quang phổ có kích thước bằng điểm ảnh này cho độ chính xác ngang với máy quang phổ truyền thống và có độ nhạy tương đương với các thiết bị cảm biến ánh sáng trên thị trường.
“Về lâu dài, mục tiêu của chúng tôi là đưa máy quang phổ đến với thị trường tiêu dùng,” O’Connor nói. “Kích thước nhỏ và nhu cầu năng lượng thấp khiến công nghệ này khả thi để tích hợp vào điện thoại thông minh – điều này mở ra những ứng dụng rất thú vị. Về mặt nghiên cứu, công nghệ này cũng mở đường cho việc tiếp cận dễ dàng hơn với các ứng dụng quang phổ hình ảnh, quang phổ vi mô và nhiều lĩnh vực phòng thí nghiệm khác.”
Thiết bị quang phổ siêu nhỏ có thể đo chính xác bước sóng ánh sáng từ cực tím đến cận hồng ngoại. Công nghệ này cho phép tạo ra thiết bị quang phổ cầm tay và hứa hẹn phát triển các máy quang phổ hình ảnh thế hệ mới dựa trên mảng cảm biến mới này. Mỗi thanh kim loại trong ảnh là một cảm biến có khả năng đo phổ ánh sáng. Ảnh: Đại học Bang North Carolina
Một thiết bị phân tích ánh sáng nhỏ gọn, nhanh và mạnh mẽ có thể sớm được tích hợp vào điện thoại với khả năng quang phổ đạt chuẩn phòng thí nghiệm. Ảnh: Shutterstock
