研究理事会变革性元光学系统卓越中心的物理学家们正在致力于开发一种便携式红外微型光谱仪，以解决消费者获取空气质量数据的挑战。这种光谱仪未来可以集成到可穿戴设备中，用于监测多种有毒气体和温室气体，使个人能够更好地控制自己接触有害气体的情况，从而对自己的健康做出更明智的决定。
这项新技术由该中心的墨尔本大学团队开发，并于今日在《微系统与纳米工程》上发表，它使用机器学习算法和超表面光谱滤波器阵列来创建微型光谱仪 (MIMM)，该光谱仪使用一个传感器检测多种气体的独特红外特征。该原型目前只有火柴盒大小，但有可能进一步小型化。
传统红外光谱仪是一种非常出色的气体检测仪，但体积庞大，通常只能在实验室中找到。目前，家庭和办公楼中可以购买和使用的便携式多气体检测仪由多个体积庞大的传感器系统组成，这些传感器系统位于一个外壳中，增加了设备的尺寸和重量，限制了它们的实用性。它们还使用化学电阻而不是光谱仪，这会导致结果较差，并限制其使用寿命。使用传统光学元件无法将这两种设备小型化，因此目前的技术永远无法穿戴或集成到物联网中。
另一方面，与现成的红外探测器集成在一起的超表面滤波器通过用纳米厚度的材料制造传感器来解决小型化问题。在这种情况下，TMOS 研究人员创建了一个超表面光谱滤波器阵列，以创建一个具有感知所有有害气体潜力的传感器。滤波器阵列由硅基板顶部的金属纳米结构组成。具体而言，通过改变纳米结构的周期性，可以在感兴趣的波长范围内调整这些滤波器的光谱特征。在这项研究中，他们证明了其对二氧化碳、甲烷、氨和甲基乙基酮的有效性。
主要作者孟家俊表示：“微型光谱仪是一种超表面滤光片阵列，集成了商用红外相机，无耗材、结构紧凑(约 1 立方厘米)且重量轻(约 1 克)。机器学习算法经过训练，可以分析来自微型光谱仪的数据并预测存在的气体。
TMOS 首席研究员 Kenneth Crozier 表示：“研究的下一步是提高设备的灵敏度并使平台更加强大。我们对这项技术感到兴奋，因为只需稍加开发，它就可以应用于许多其他化学检测问题(例如固体和液体)。”
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