ابتكر فريق من المهندسين مطيافا ضوئيا فائق الصغر يمكن تثبيته على طرف الإصبع ويعمل بجهد كهربائي منخفض، قادر على تحليل الضوء من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء القريبة خلال أقل من ميلي ثانية.
هذا الابتكار يُحدث ثورة في عالم التحليل الطيفي، إذ يُمكن دمجه مستقبلاً في الهواتف الذكية، مما يوفر أدوات متقدمة لتحليل المواد والتشخيصات الطبية الحيوية، وغيرها من التطبيقات – مباشرة من جيبك. يتميز هذا الجهاز بمستشعر ضوئي عضوي صغير يمكنه تعديل حساسيته الطيفية ببساطة عن طريق تغييرات في الجهد، مما يمنحه سرعة ودقة داخل حيز لا يتعدى حجم بيكسل واحد.
طفرة في تصميم أجهزة التحليل الطيفي المدمجة
استطاع الباحثون تطوير مطياف ضوئي فريد من نوعه يتميز بحجمه الصغير وقدرته العالية على الكشف الدقيق لأطوال موجية متعددة من الضوء، من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء القريبة.
يفتح هذا الإنجاز آفاقاً جديدة لإنشاء أجهزة تحليل طيفي محمولة وعالية الدقة، كما يُمهد الطريق لتطوير مصفوفات استشعارية مدمجة لإنشاء أجهزة تصوير طيفي متقدمة.
"تُعد أجهزة التحليل الطيفي أدوات أساسية لفهم الخصائص الكيميائية والفيزيائية للمواد المختلفة من خلال طريقة تفاعل الضوء معها"، يقول بريندان أوكونور، المؤلف الرئيسي للدراسة وأستاذ الهندسة الميكانيكية والفضائية في جامعة ولاية كارولاينا الشمالية.
"لكن حتى أصغر الأجهزة المتاحة حاليا تظل كبيرة الحجم نسبياً".
حجم صغير وأداء مذهل
أثبت الباحثون أن النموذج التجريبي للمطياف الجديد يمكنه قياس أطوال موجية مختلفة بدقة، على الرغم من صغر حجمه الذي لا يتعدى بضعة مليمترات مربعة – مما يجعله قابلاً للدمج في الهواتف الذكية أو تصغيره إلى حجم بيكسل واحد.
يعتمد التصميم المبتكر على مستشعر ضوئي عضوي دقيق يلتقط الأطوال الموجية المختلفة للضوء بعد تفاعله مع مادة معينة، وبمجرد تغيير الجهد الكهربائي المطبق على المستشعر، يمكن تحديد الطول الموجي الذي يُصبح أكثر استجابة له.
تحليل طيفي في أقل من ميلي ثانية
يوضح أوكونور: "عند تطبيق مجموعة سريعة من الجهود الكهربائية على المستشعر وقياس الأطوال الموجية التي يتم التقاطها في كل مرة، نحصل على بيانات كافية يمكن لبرنامج حاسوبي بسيط استخدامها لإعادة تشكيل التوقيع الطيفي للضوء المار أو المنعكس من المادة المستهدفة".
ولا تتجاوز الجهود المطبقة فولتًا واحدا، ويمكن تنفيذ العملية بأكملها خلال أقل من ميلي ثانية. بالمقارنة مع المحاولات السابقة، يتميز هذا الجهاز بصغر حجمه، وانخفاض الجهد المستخدم، وتغطيته الطيفية الواسعة، دون الحاجة إلى أنظمة بصرية معقدة.
أداء مماثل للأجهزة التقليدية
في اختبارات إثبات المفهوم، وجد الباحثون أن دقة هذا المطياف الصغير تقارب دقة الأجهزة التقليدية، وأنه يتمتع بحساسية مماثلة لتلك المستخدمة في السوق التجاري. "هدفنا على المدى الطويل هو جعل المطيافات متاحة للمستهلكين"، يقول أوكونور.
"حجم هذه التقنية واستهلاكها الضئيل للطاقة يجعل دمجها في الهواتف الذكية أمرا ممكنا، ما قد يفتح آفاقا مذهلة للتطبيقات المستقبلية، ومن منظور بحثي، يمهد هذا الطريق للوصول إلى التصوير الطيفي الدقيق والمجهر الطيفي، وغيرها من التطبيقات المخبرية".
