QD-Spektrometer: Illustration des Druckprozesses (Foto: MIT/Mary O’Reilly)

Cambridge (pte002/03.07.2015/06:05) –

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 http://web.mit.edu .

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 http://berkeley.edu .