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微型光谱仪,应用潜力巨大

2021-8-30 08:36| 发布者: vantsing| 查看: 1111| 评论: 1

摘要: 光谱仪被用于化学、生物传感和材料分析的多种应用。随着这些仪器——不久前由于其尺寸、重量和成本而被限制在实验室内——越来越小,便携式光谱仪正在进入消费和医疗应用领域,多亏了使片上光谱仪成为现实的种种进步 ...

光谱仪被用于化学、生物传感和材料分析的多种应用。随着这些仪器——不久前由于其尺寸、重量和成本而被限制在实验室内——越来越小,便携式光谱仪正在进入消费和医疗应用领域,多亏了使片上光谱仪成为现实的种种进步。


总部位于英国的Rockley Photonics是一家希望将光谱学引入大众消费和医疗市场的公司。这家光电子芯片组开发商最近宣布,将与收购专家SC Health合并,成为纽约证券交易所(NYSE)的上市公司。


该交易旨在加速Rockley传感平台的商业发布,该平台定位为通过手腕上的诊所进入消费者健康市场。这项技术可以实现对乳酸、葡萄糖、水合作用、血压和核心体温等多模式生物标志物的连续、无创监测。


密切合作

Rockley公司表示,该公司正与世界上一些最大的消费电子产品和可穿戴设备公司密切合作,为他们提供全套解决方案,包括共同包装的硬件设备、生物传感算法、固件和数据分析,以使这些客户能够向其用户提供有意义和可操作的深层次的认识。


最近向美国证券交易委员会(SEC)提交的S-4表格显示,苹果是该公司最大的客户。其他对这家初创公司感兴趣或已经与之合作的品牌包括三星、Zepp HealthLifeSignals GroupWithings。这份表格是Rockley准备在纽约证券交易所以12亿美元上市时提交的。


除了消费电子产品,Rockley公司还与临床医生和医疗技术公司合作,将其监控平台的应用扩展到医疗设备,以改进疾病检测和预防。其传感平台旨在支持经济高效的大批量制造。


 安德鲁·里克曼(Andrew Rickman),Rockley公司的创始人、董事长兼首席执行官,在3月份的一次投资者电话会议上谈到了这项交易时说:我们的模块将台式临床光谱仪的传感功能压缩成一个可佩戴的芯片,可以戴在手腕上。他说,这使我们首次能够连续监测许多生物标志物,其中一些是生命攸关的,比如水合作用、血压、核心体温、乳酸和葡萄糖水平。


该技术建立在该公司的硅光子学平台上。光谱仪芯片比现有的可穿戴设备上的LED技术,提供了高100万倍的分辨率,高1000倍的精确度和100倍的宽带宽度,里克曼说。另一种看待它的方式是,我们将实验室光谱仪缩小到芯片上,创建了一个手腕上的诊所


该芯片包括许多红外激光器和第二个基于LED的元件,该元件已用于可穿戴设备中,用于检测脉搏和血氧。电子设备和ASIC控制器也在开发中。


基本模块包含高端智能手表中已有的功能,如血氧、心率和呼吸频率。但是,里克曼说,它增加了水化、核心体温和血压等生物标志物的检测。他说,除此之外,在高级模块中,激光的数量大约是基本模块的两倍,我们扩展了红外光谱范围,并使用更先进的算法来检测酒精、一氧化碳、葡萄糖指示剂和乳酸。


据里克曼称,Rockley公司的技术最快明年就可能用在手腕上,随后将在2023年实现大批量增长。


家庭诊断

对于终端用户来说,这种技术可以提供一种设备,这种设备可以在身体上任何有合适的血液灌注的地方工作。


里克曼解释道:“它可以放在智能手机或智能扬声器中,你可以把手指放在上面,也可以放在胸前的智能贴片中,比如智能耳塞,等等。我们相信,这将极大地改变人们对饮食、营养和健康监控的看法。这项技术还有机会提供疾病发病的早期预警信号,因此可以对这些疾病进行更有效的治疗


     对于OEM客户,Rickman指出,全功能设备并不打算完整。他说,这是为了医学合作而开发的。我们为OEM客户提供一整套技术能力,包括硅和III-V光电子和电子设计、将电子和光电子结合在一起的联合封装技术、运行芯片的固件/软件,以及重要的,生物传感算法和云分析,以便测量和读取单个生物标记物。


   “我们已经建立了内部大数据分析来支持我们的开发工作,通过B2B云订阅模式为客户创造了额外盈利的可能性。


比人的头发还小

耶鲁大学的夏丰年实验室、巴伊兰大学和日本国家材料研究所的研究人员开发了一种比头发直径小的中红外光谱仪。


发表在《自然光子学》上,该装置采用了黑磷材料,这种材料长期以来一直是夏丰年实验室的重点,用于基于单个可调谐光电探测器的29μm的光谱仪。这种材料的厚度约为10nm,用户可以通过调节光与物质的相互作用来获取不同的光谱成分。同时,采用了一种算法来帮助将光谱学的复杂性从硬件转移到软件。


 9×16μm2的条件下,夏丰年实验室的光谱仪的尺寸小于一根人类头发的横截面,与它测量的光的波长相当。使用传统的光谱仪,光被构成光谱的颜色开,而在这个设备中,光不需要在空间上分成不同的部分。


它与更传统的光谱仪的另一个不同之处是,缺乏对先进光学元件的依赖,比如干涉仪或可调谐红外激光器,这使光谱仪和片上且价格合理的中红外光谱仪和光谱成像有望实现极端微型化


研究人员指出,汽车、无人机和卫星通常配备红外摄像机,可拍摄灰度热图像以检测行人、车辆和其他危险,而这种光谱仪对此类潜在威胁具有更高的检测能力,因为尽管其分辨率适中,但可以连续测量光谱信息。


巴伊兰大学的研究人员多伦·纳维(Doron Naveh)说:在如此紧凑的体积内实现如此高性能的光谱仪非常令人兴奋。我们预计,这项工作所展示的,同时利用硬件和软件进步的原则,将在医学、农业和食品质量控制方面实现商业应用。


3D打印

在德国斯图加特大学,人们用3D打印来实现光谱仪的小型化2。角度不敏感的3D打印出的微型光谱仪具有直接分离的空间光谱响应,通过双光子激光直写技术,结合超细喷墨打印工艺制造。


该装置的体积小于100×100×300μm3。其定制的高频光栅具有很强的色散特性,490690nm的可见光范围内,其波长范围为200nm。它在532nm处的光谱分辨率为9.2±1.1nm,在633nm波长处的光谱分辨率为17.8±1.7nm。研究人员Andrea Toulouse解释说:将光谱仪直接打印到相机传感器上是可行的,并且可以复制成快照高光谱相机的宏像素。


斯图加特大学微型光谱仪的光学设计与仿真。图片:AToulouse等人,光:先进制造 / 斯图加特大学


3D打印光谱仪以大于0.4的数值孔径(NA)收集光,第一个透镜处的光收集面积为50×50μm2,并以最小的损耗重新分配波长。Toulouse说:“总体而言,3D打印的微型光谱仪在复杂性方面标志着3D打印微光学的一个创新,同时首次开发了微米尺寸的直接光谱仪。”


该设备的尺寸可与标准的智能手机镜头相当,研究人员认为这突出了这种技术的潜力。这意味着光谱仪可以有效地非侵入性地被集成到智能手机摄像头中,即直接打印到摄像头传感器上,例如用于单光谱测量或作为快照高光谱摄像头的独立像素。


在本研究中,对3D打印设备的可行性进行了理论评估和实验验证。Toulouse解释说:据作者所知,这台光谱仪是第一台在这种尺寸范围内具有直接空间光谱响应的光谱仪。与基于计算和滤光片的方法相比,强调了其角度不敏感和相对较大的50×50μm2的孔径。


Toulouse说:“混合直接计算方法可以将平均噪音水平显著提高5%20%。通过对光谱的相邻部分实施相同的设计原则,我们采用多孔径方法,使得波长范围每100×100μm2 扩展200微米。


 该技术可能的应用范围包括从内窥镜设备和消费电子产品到化学微反应器。


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引用 syc 2021-11-25 10:58
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