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量子點光譜儀為未來醫療帶來革命性技術

文章來源:本站編輯 更新時間:2016-08-22 20:47:05   瀏覽次數:

     

量子點光譜儀為未來醫療帶來革命性技術

2016-07-28 16:03 行業報道   來源:動脈網

     2011年5月10日,亞美尼亞的天文學家蓋瑞特和他的研究小組在全球最頂尖的學術期刊《自然》雜志上發表了其最新的研究發現,團隊發現一個名為HD82943的恒星吞下了它的一顆行星,過程相當于太陽吞下地球。這顆恒星的體積約和太陽體積一致,而它吞下的這個行星約相當于太陽系里面最大的行星木星質量的兩倍。而HD82943恒星大概在距離地球78光年。

觀測這一過程的工具是坐落在智利“阿他加馬“沙漠的歐洲南部天文臺的超大型望遠鏡鏡組,針對這一現象,科學家們真正記錄的數據是一些孤立的數據點。那么科學家如何通過孤立的數據點推斷出發生了星球吞噬的現象呢?

從元素與光譜的角度出發,解決天文學謎團

量子點光譜儀為未來醫療帶來革命性技術

QDChip公司CEO 鮑捷講解通過光譜分析得知行星吞噬的原理

理解這一現象需要從元素的角度考慮問題。鋰元素有一種同位素,該同位素比正常的鋰元素少一個中子,稱為鋰6。鋰6非常脆弱,當恒星產生上千萬度的高溫時,它存在的時間非常短暫,通常在恒星形成的數百萬光年之內就完全消失了。但是當科學家們觀測HB82943恒星所發射的光譜時,發現鋰6與鋰元素(鋰7)的比高達3:25,比例高于正常水平較多。

行星本身不發光、發熱,也不會產生大量的溫度。經過大量的論證、推演,科學家們推測,在HB82943表面存在大量鋰6的原因是恒星把行星吞了下去,根據比例0.12可以推測行星的數量大概相當于木星數量的兩倍。

在關于HB82943吞噬行星的案例中提到了“光譜”的概念,光譜是復色光經過色散系統(如棱鏡、光柵)分光后,被色散開的單色光按波長(或頻率)大小而依次排列的圖案,全稱為光學頻譜。光譜是描述一個光顏色組成最精確、最本真的方式。

量子點光譜儀為未來醫療帶來革命性技術

三種光譜儀的工作原理示意圖

元素的特征光譜具有唯一性,原理可應用于血糖測量

光可以與物質發生相互作用,當一束光經過不同的化學物質,物質會與光發生相互作用,而相互作用會改變這些光的光譜,改變的過程跟物質的本質有很強關聯,且每周元素有其特定的與光發生相互作用的方式,即元素具有唯一性的特征光譜,因此人類可以通特征光譜辨別物質。

光譜除了幫助人類認識78光年外星體吞噬的現象外,還可以應用于人類自身狀況的檢測。比如,人體血液中富含血紅蛋白,血紅蛋白在肺部吸收氧氣,把氧氣通過血液帶到全身各處,供組織細胞消耗。血紅蛋白具有含氧和脫氧兩種狀態,兩種狀態下對應的化學物質不同,因此會具有不同的光譜。

通過測量這些光譜,人類可以了解含氧血紅蛋白和脫氧血紅蛋白在人體內的比例,通過比例能夠進一步得知血氧含量,測量出血氧含量隨時間的變化可以測量出心跳、呼吸,并判斷出人體健康狀況。

代謝廢物檢測及藥品檢測均可利用光譜分析進行

除了判斷血氧含量外,尿液中包含了人體的豐富代謝廢物,每種物質對應特定的光譜,通過測量光譜可以了解到代謝廢物的具體物質種類,從而判斷人體近期、長期已經發生的疾病或潛在的健康威脅等。

光譜檢測手段還可以應用于食品和藥品檢測。作為一個實際人口超過4000萬的城市,北京每天約有2萬輛的卡車滿載食物運送進京,按時間計算,每分鐘有10輛卡車排隊等待進京,而利用光譜分析的手段抽查檢測食物的安全性是必不可少的手段。

量子點光譜技術可以將大型光譜設備轉化為微型傳感器

光譜作為人類認識世界組成的手段已經被廣泛應用。而光譜儀體積龐大,價格昂貴,限制了其應用范圍。約5年前,鮑捷教授提出了量子點光譜的技術,該技術可以完成光譜大型儀器的微型化和傳感器化,而這一技術最大的特點是可以與相機、手機攝像頭中的傳感器相結合,把大型的光譜儀設備轉化為微型化的傳感器。

量子點光譜儀為未來醫療帶來革命性技術

量子點晶粒示意圖

量子點是一種非常微小的納米材料,它只有人頭發絲的萬分之一到十萬分之一大小,通常當一個宏觀材料的體積和大小被改變時,其顏色并不會發生變化,因為顏色是它的本征狀態。但是當一個材料的尺寸是頭發絲的萬分之一到十萬分之一時,該材料的顏色會隨著它的大小變化而變化,變化過程精細到每增加一個原子或減少一個原子都會令顏色發生改變。

微型光譜傳感器可應用至手機攝像頭

因為光譜本身是非常細分的顏色,科學家能夠用量子點材料所提供的一個龐大的顏色體系庫對光譜進行顏色解讀。

量子點的另一個特點就是可以在液態時被加工、成型、集成。基于這一特點,可以將很多種這樣的不同材料集成為一類大家所熟悉的硬件形式,例如手機攝像頭,從而實現了將大型的光譜儀器轉化為手機攝像頭中的傳感器。這樣的量子點光譜傳感器可以縮小至針孔大小,在專業度不變情況下,成本卻大大降低。

量子點光譜儀為未來醫療帶來革命性技術

膠體量子點被打印至攝像傳感器表面示意圖

微型光譜儀的制成過程如下:首先,把量子點溶液進行特殊加工。然后,因為它非常微小,所以使用它可以像打印機里的墨水一樣,把它打印到基底上,形成一個陣列的薄膜。然后把這個量子點薄膜與手機攝像頭里面用的檢測器陣列附和在一起,概念上就構成了一個光譜議。

通過對光譜儀的結構和算法的重新定義和設計,一部微型光譜儀就誕生了。在現有條件下,這種微型光譜儀最小尺寸可達約1立方毫米。

當微型傳感器植入智能手機后,用戶可以通過攝像頭進行食品、藥品、個人健康等檢測,傳感器甚至能夠植入人體,進行各項健康指標的檢測。

光譜傳感器應用領域廣泛,將成為人類智慧金字塔的堅實基礎

光譜的傳感功能還可以應用于農田中污染物與水質量的檢測,以及食品生產、加工、運輸等環節過程的監控,這一監控過程在消費者終端就可以實現。結合互聯網與大數據,便可以將看似孤立、遙遠甚至毫無類比性的事件中必然的因果關系挖掘出來,這一過程能夠減少生產、生活中的損失。

QDChip公司在做是事就是突破光譜信息依托傳統的儀器手段難以實時獲取的技術瓶頸,將新型納米晶材料——量子點與成像感光元件結合,開發出芯片大小的低成本、便攜式量子點光譜傳感器,從而實現用手機等便攜設備進行物質成分分析和檢測的功能。

本科期間,鮑捷跟隨李亞棟院士進行納米材料及納米技術的研究,鮑捷博士研究課題是用飛秒超快激光研究分子動力學的過程,這些研究都是比較基礎的,所以博士后期間鮑捷希望能從事應用方面的研究。

鮑捷說:“我博士后期間所在的課題組是國際上最早做量子點的組之一,課題組研究人員近年來致力于量子點在不同方向上的應用研究,如太陽能電池、顯示器、光檢測器及生物標記領域的應用。”

鮑捷曾在美國工作、生活多年,他一直對新技術的商業化有較大興趣,希望能夠將一個新技術運用于現實生活。

人類可以從數據中得到信息,信息可以轉化為知識,幫助人類獲得智慧。面對龐大繁雜的數據,大量的傳感器可以幫助人類捕捉信息。鮑捷表示,光譜傳感器在不久的將來能夠成為智慧的金字塔不可或缺的堅實基礎。

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