食物新不新鲜？健不健康？浙大校友为手机炼就“火眼金睛”，一扫便知！
中秋假日已过
大家最近有没有吃月饼呢？
是浙大的求是饼
还是网红双蛋黄莲蓉
又或是冰皮月饼？
可是
你知道一块小小的月饼
到底有多少热量吗？！
什么？
这些月饼的卡路里是怎么测出来的？
小编遗憾地告诉你
这些都是小编自己搜的
不过，好消息好消息！
也许在不久的将来
你的手机能够变成
一个移动的食品检测光谱仪！
只要拿出你的手机
打开摄像头
让微型光谱仪工作起来
它就会告诉你眼前食物的
新鲜程度、含糖量、蛋白质含量等！
近日
《科学》杂志发表了一项最新研究成果
主要由一根比人类头发千分之一还细的
半导体纳米线组成的
微型光谱仪研发成功
其大小仅为
市面上最小光谱仪的千分之一左右
这项成果由中国、英国、芬兰等国
科研工作者合作完成
这一成果的起源
与两位浙大校友——
论文第一作者杨宗银和共同作者谷付星
在浙大求学时的一项技术发展密切相关
论文的第一作者，现为剑桥大学石墨烯中心的博士后杨宗银，2011年在浙江大学读硕士期间，和师兄、本论文的共同作者谷付星一起发明了在单根纳米线上调控带隙的技术，得到的纳米线在荧光显微镜下观察起来就像一道彩虹。2012年，他突发奇想，想到了可以用这种纳米线做光谱仪。此后，他一直惦记着这事，期待读博时能够把想法变成现实。
2014年至2017年，杨宗银一共做了大概150个光谱仪器件，结果仍然不理想。此时的他，身上有着导师的严格要求与毕业的压力。但是，因为自己的心有不甘和妻子的支持，他咬咬牙坚持了下来。2017年5月，杨宗银换了个结构做最后的尝试，结果出现了转机。
2018年，杨宗银在剑桥大学的实验室工作
2018年，伴随着每一次信心满满的是不尽如人意的实验结果。不过随着对器件和算法的一次次优化，杨宗银隐约觉得离目标不远了。2018年8月的一个周六晚上，杨宗银终于在实验室测量到了他想要的信号。那一刻，他百感交集，想到这几年的种种经历，一个人在实验室呆坐了好久好久。
2019年1月，杨宗银博士正式毕业，同时也拿到博士后offer。在女儿出生的那一周，经过几个月修改的文章被投到了Science，一个月后，文章受到肯定，三位审稿人一致同意发表。“虽然评价很好，但还是不敢掉以轻心，认真准备了三十页的回复后，编辑直接接受了。”杨宗银说。
从2011年到2019年，杨宗银的八年坚持，终于得到了回报。
2018年，谷付星在上海理工大学的实验室指导学生
同样是浙大毕业的谷付星这样评价：“希望我实验室的同学们继续埋头苦干，坚持原创，学习宗银师弟的不放弃精神，做出大成果。最后再次预祝带隙渐变纳米线领域有更新的成果出现，预祝纳米线光谱仪早日实现手机芯片集成，给大家食品药物医疗带来安全保障。”
微型光谱仪是什么？真的有说的那么牛吗？这要从牛顿说起。
17世纪，牛顿发现太阳光通过棱镜的折射后可观察到彩色。这个色散实验推动了光谱仪的诞生。光谱仪可以检测光谱中不同谱线强度，比如可以测出阳光的七彩色中每种颜色光的亮度。通过对光谱的测量，可以帮助人们获知大到几百万光年外的星系活动，小到纳米尺度的分子结构。还可以用来分析物体中的化学成分，从而用作对空气污染、食品卫生、农作物生长、人体健康状况的检测工具，在科研和工业生产中仍扮演着极为重要的角色。
“光谱仪的微型化是目前科技界面临的一项技术挑战。”杨宗银说，目前大部分光谱仪的工作原理仍和牛顿的实验相似，需要用到棱镜或光栅之类的分光元件。这种光谱仪体积庞大，已无法满足日益发展的光谱应用技术的需求。
但是减小分光和探测元件的尺寸将导致光谱仪的光谱分辨率、灵敏度及动态检测范围显著下降。杨宗银和合作团队另辟蹊径，用一种带隙渐变的特殊纳米线替代了传统光谱仪中的分光和探测元件，采用和制作电脑芯片类似的工艺在这种纳米线上加工出了光探测器阵列。他们利用各个探测器对不同颜色光具有不同响应的特性，通过逆问题的求解，从响应函数方程组中重构出所需要测量的光谱信息。
杨宗银说：“我们沿长度方向对纳米线的组分进行了调控，得到的纳米线在荧光显微镜下观察就像一道彩虹，很容易让人联想到牛顿三棱镜实验中的七彩色，沿着这个思路我们开始探索用纳米线替代三棱镜，这样可以把传统光学器件的尺寸缩小到纳米尺度，使这些器件在可穿戴设备等新兴领域中找到应用。”
谷付星和杨宗银在浙江大学求学期间，已经发明了在单根纳米线上调控带隙的技术，“普通光谱仪都包含色散原件。这个是很核心的器件。但是我们这项工作突破了这个要求。使用单根纳米线就可以实现颜色分辨。”
谷付星说，每个物质都会有相应的光谱信号，如水、乙醇、糖的吸收光谱，荧光、拉曼光谱都不一样。据此可以确定牛奶的成分，看看哪杯的糖分高低，含水量多少，及是否含有三聚氰胺等。如果我们在日常生活中能及时获得物质的光谱信息，将会很大丰富我们的生活和世界。
谈及微型光谱仪在现实中的应用，谷付星颇为期待：“通过微型光谱仪，我们能在日常生活中及时获取身边物质的光谱信息，这将会大大丰富我们的生活和世界。”
只有火柴盒千分之一大小的微型光谱仪，甚至肉眼都无法看清楚，老百姓怎样使用呢？
面对疑惑，杨宗银解释说，微型光谱仪与广泛使用的手机摄像系统具有良好的兼容性，光谱仪可以被集成到手机上，强大的光谱分析技术就从实验室搬到了普通百姓的手掌上。今后，只需要掏出手机给物体拍个照，就能获得该物体的光谱信息。
获取的这些信息数据，通过手机APP软件，将需要检测的信息和对应数据库中的数据进行对比分析，大家就能直观地看出相关成分的含量在一个怎样的范围之内。“这其实就像我们在医院得到的验血报告一样。不过，要做到这一步，还需要一段时间来进行后续的研发。”杨宗银解释说。
除了应用在电子设备上面，通过后续开发，等纳米机器人技术成熟，供电和信号传输的问题解决之后，这种微型光谱仪还有望通过注射植入到人体，用于实时监测人体健康状况，为癌症等疾病检测提供一种新的检测治疗方法。
但是，现阶段的产品研发还停留在实验阶段。
对于检测人体健康状况这个功能，毕竟是用在人身上，杨宗银非常慎重：“涉及人体的健康实验，会比较麻烦，我们的产品要确保检测结果的正确性，也要符合国家医疗卫生保健的相关标准，这个实现的过程会比较漫长。”
念念不忘，必有回响。这两位浙大人以自己在光谱仪研究上倾注的赤子初心和漫长岁月，换来了方便大众生活的科研成果。祝他们走得更远、更好！
内容来源：科技日报《手机装了“透视眼”，美食纷纷露出“真面目”》| 周到《世界最小光谱仪问世，手机扫扫可知食物新鲜度、药品成分、艺术品真伪》| 钱江晚报《最新！世界最小光谱仪问世，采用纳米技术，尺寸仅火柴盒的千分之一》
文字整合：浙江大学微讯社 陆心怡
图片来源：由杨宗银提供；部分图片来源于网络
今日编辑：浙江大学微讯社 邢思雨
责任编辑：李灵
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