Quantenpunkt-Spektrometer passt jetzt ins Handy
QD-Spektrometer: Illustration des Druckprozesses. (Foto: MIT/Mary O’Reilly)
Cambridge – Forscher haben ein Spektrometer entwickelt, das so klein ist, dass es in eine Handy-Kamera passt. Mithilfe der Quantenpunkt(QD)-Technologie ist es ihnen gelungen, ein winziges Gerät zu erschaffen, mit dem Krankheiten diagnostiziert werden können, vor allem Hauterkrankungen. Die Forscher Jie Bao und Moungi Bawendi stammen vom MIT.
Spektrometer sind normalerweise grosse Geräte, die die Eigenschaft des Lichts messen und in physikalischer, chemischer und biologischer Forschung eingesetzt werden. Anwendungsgebiete sind das Studieren atomarer Prozesse und Energielevels oder die Analyse von Gewebeproben. Optische Instrumente wie Beugungsgitter nehmen viel Platz in den Geräten ein. Um Miniaturspektrometer zu entwickeln, mussten die optischen Elemente ersetzt werden.
Filterfähigkeit der Quantenpunkte ausgenutzt
Bao und Bawendi griffen zu Quantenpunkten, einer Art von Nanokristallen, die durch unterschiedliche Mischverhältnisse der Grundkomponenten verschiedene elektrische Eigenschaften annehmen. Diese Unterschiede werden als Bandlücke bezeichnet, die bestimmt, welche Wellenlängen des Lichts jeder Punkt absorbiert. Quantenpunkte werden bereits in der Kennzeichnung von Zellen und in neuen Typen von TV-Bildschirmen eingesetzt, die lediglich die Fluoreszenz der Quantenpunkte ausnutzen.
Das Miniaturspektrometer nutzt hingegen die Filterfähigkeit der Quantenpunkte aus. Diese werden als dünner Film gedruckt und auf einem Lichtsensor angebracht, wie zum Beispiel einem ladungsgekoppelten Bauelement, das in Handy-Kameras eingesetzt wird. Mit einem Algorithmus wird die Anzahl der Photonen, die von jedem Filter absorbiert werden, berechnet, wodurch die Intensität und Wellenlänge der ursprünglichen Lichtstrahlen berechnet werden können.
Viele Einsatzmöglichkeiten für winziges Gerät
«Die zentrale Komponente solcher Spektrometer – die Quantenpunkten-Filterreihe – wird durch lösungsbasierte Verarbeitung und Druck hergestellt, wodurch eine signifikante potenzielle Kostenreduktion ermöglicht wird», freut sich Bao. Durch diese kostengünstige Anwendung könnten die Spektrometer in kleinen Handheld-Geräten Hautveränderungen oder Urinproben analysieren. Sie könnten auch die Belastung der Haut durch verschiedene Frequenzen des ultravioletten Lichts messen, die sich stark in ihrer Schädigungskraft der Haut unterscheiden.
«Bawendi und Bao haben einen sehr schönen Weg gezeigt, wie man die kontrollierte optische Absorption von Halbleiter-Quantenpunkten für Miniaturspektrometer ausnutzen kann. Sie demonstrieren ein Spektrometer, das nicht nur klein ist, sondern auch einen hohen Durchsatz und eine hohe spektrale Auflösung hat, was noch nie zuvor geschafft wurde», lobt der nicht an der Studie beteiligte Physikprofessor Feng Wang von der University of California at Berkeley. (pte/mc/ps)
