Ensi silmäyksellä ajatus matkapuhelimien käytöstä kemiallisissa analyyseissä vaikuttaa rohkealta. Normaalisti vastaavissa analyyseissä käytetyt infrapunaspektrometrit painavat useita kiloja ja niitä onkin vaikea integroida kädessä pidettävään laitteeseen. Nyt kuitenkin ETH Zürichin tutkijat ovat ottaneet tärkeän askeleen kohti tämän näkemyksen muuttamista todellisuudeksi.

Professori Rachel Grangen johtama tutkijaryhmä on kehittänyt spektrometripiirin, jonka koko oli noin kaksi neliösenttimetriä. Sen avulla he voivat analysoida infrapunavaloa samalla tavalla kuin tavallisella spektrometrillä.

Tavanomainen spektrometri jakaa valon kahden peilin valoreitteihin, joista toisen peilin liikuttaminen luo interferenssikuvion, jonka avulla määritellään tulevien signaalien eri aallonpituuksien osuus.

Sama periaate on ETH:n tutkijoiden kehittämän minispektrometrin takana. Peilien sijaan siinä käyttää aaltojohteita, joiden optinen taitekerroin on säädettävissä sähkökentän kautta.

- Taitekertoimen muuttamisella on samanlainen vaikutus kuin kun peilien siirroilla, joten tämän rakenteen avulla pystymme hajottamaan valospektrin samalla tavalla, selvittää rakennetta tutkija David Pohl.

Teoreettisesti tutkijoiden spektrometrillä voi mitata myös näkyvää valoa sopivasti määitetyllä aaltoputkella. Toisin kuin muut integroidut spektrometriratkaisut, jotka voivat kattaa vain kapean valonspektrin, nyt kehitetyllä ratkaisulla pystyy helposti analysoimaan laajan osan spektristä.

Kompaktin koon lisäksi ETH:n fyysikoiden innovaatio tarjoaa kaksi muuta etua: yhden sirun spektrometri on kalibroitava vain kerran verrattuna tavanomaisiin laitteisiin, jotka tarvitsevat uudelleenkalibrointia jatkuvasti. Ja koska siinä ei ole liikkuvia osia, se vaatii vähemmän huoltoa.

Spektrometrissään tutkijat käyttivät materiaalia, jota käytetään myös modulaattorina teleliikenteessä. Materiaalina sillä on monia positiivisia ominaisuuksia, mutta aaltojohteena se rajaa valon sisälleen. Spektrimittaus vaatii kuitenkin, että osa ohjatusta valosta pääsee ulos. Tästä syystä tutkijat kiinnittivät aaltojohtoihin herkkiä metallirakenteita, jotka hajottavat valoa laitteen ulkopuolelle.

Jotta minispektrometri voidaan integroida mobiililaitteeseen tai muuhun elektroniseen laitteeseen, tekniikkaa on vielä kehitettävä. Signaalin mittaukseen käytetään tällä hetkellä ulkoista kameraa, joka olisi myös saatava integroiduksi kompaktiin spektrometriin.

Alun perin fyysikot eivät pyrkineet laitteellaan kemiallisiin analyyseihin, vaan avaruudessa tehtäviin tähtitieteellisiin sovelluksiin. Pienikokoinen, kevyt ja vakaa mittauslaite olisi omiaan käytettäväksi avaruuden satelliiteissa tai kaukoputkissa.

Veijo Hänninen
Nanobittejä 16.10.2019