スペクトルセンシングで、微小チップが大きなブレイクスルー

February, 14, 2025, Espoo--Aalto Universityによると、無数の材料を前例のない精度で識別できる顕微鏡スペクトルセンサの発明は、ヘルスケア、食品安全などに対するわれわれのアプローチを全面的に見直すことになる。

病気を診断したり、偽造医薬品を検出したり、腐った食品を警告したりできるスマートフォンを想像してみる。スペクトルセンシングは、材料が光とどのように相互作用するかを分析することで材料を識別し、人間の目で見ることができるものをはるかに超えた詳細を明らかにする強力な技術である。

従来、この技術には、実験室や産業用途に限定された、かさばる高価なシステムが必要だった。しかし、この機能をスマートフォンやウェアラブルデバイスの内部に収まるように小型化できるとしたらどうか。

フィンランドのAalto Universityの研究者は、小型化されたハードウェアとインテリジェントなアルゴリズムを組み合わせて、コンパクトで費用対効果が高く、ヘルスケア、食品安全、自動運転などの分野における現実世界の問題を解決できる強力なツールを作成した。

「これは、アーティストが何百もの微妙な色を区別するために目を鍛える方法と似ている。われわれのデバイスは、人間の目には感知できない複雑な光の痕跡を認識するように「訓練」されており、実験室で一般的に見られるかさばるセンサに匹敵するレベルの精度を達成している」と、教授兼主任研究者のZhipei Sunは説明している。

プリズムやグレーティングなどの大きな光学部品を必要とする従来のスペクトルセンサとは異なり、このセンサは光に対する電気的応答によってスペクトルの差別化を実現し、小型デバイスへの統合に最適である。研究チームは、有機染料、金属、半導体、誘電体などの材料を発光から直接識別する能力を実証した。

「われわれの革新的なスペクトルセンシングアプローチは、材料の同定と組成分析の課題を簡素化する」と、この研究の筆頭著者であり、最近アールト大学で博士論文を擁護したXiaoqi Cuiはコメントしている。
この目覚ましいイノベーションは、調整可能なオプトエレクトロニクスインタフェースと高度なアルゴリズムを組み合わせ、統合フォトニクスやその他の分野でのアプリケーションの新たな可能性を解き放つ。

トレーニング中、デバイスは様々な光の色にさらされ、光の種類ごとに一意の電気的フィンガープリントを「学習」して生成することができた。これらのフィンガープリントはインテリジェントなアルゴリズムによって解読され、センサは材料を正確に識別し、光との相互作用に基づいてその特性を分析できるようになる。

わずか5µm×5µm(人間の髪の毛の断面積の200分の1)を測定するこのデバイスは、～0.2nmという驚異的なピーク波長識別精度を達成し、数千色を区別することを可能にした。このセンサの中核となるのは、電圧調整による電気の流れの正確な制御を可能にする、慎重に設計された光電子インタフェースである。この優れた調整機能により、センサは複数の異なる方法で光と相互作用し、「多次元の光応答」を生み出すことができる。

「この研究は、分光学的同定をすべての人の指先にもたらすための大きな前進である。この超小型ハードウェアとインテリジェントなアルゴリズムを統合することで、われわれは、いつの日か民生用電子機器を変革する可能性のある小型ポータブル分光計に向けて大きな一歩を踏み出した」と、博士研究員で共同筆頭著者、Fedor Nigmatulinは説明している。

その画期的な性能、調整可能な設計、汎用性により、研究チームは、この小さなセンサがすぐに高度な分光法の力をわれわれが毎日使用するデバイスにもたらすことを望んでいる。