A Miniaturized Mid-Infrared Spectrometer Enabled by Hybrid Encoding of q‑BIC Thermal Emitters with Uncooled Imaging
यह शोध पत्र एक कॉम्पैक्ट, लागत प्रभावी मिड-इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोमीटर प्रस्तुत करता है जो विविध रासायनिक विश्लेषण कार्यों के लिए उच्च-रिज़ॉल्यूशन वाली आणविक फिंगरप्रिंटिंग प्राप्त करने हेतु थर्मल रूप से ट्यूनेबल q-BIC मेटासरफेस उत्सर्जकों और एक अनकूल्ड थर्मल कैमरा के हाइब्रिड एनकोडिंग का उपयोग करता है।
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प्रकाश एक गुप्त भाषा लेकर चलता है जो ऊष्मा में लिखी होती है। परम शून्य (absolute zero) से अधिक गर्म हर वस्तु ऊर्जा उत्सर्जित करती है, लेकिन अधिकांश सामग्रियों के लिए, यह चमक रंगों का एक विस्तृत, निराकार प्रसार होती है जो यह बहुत कम बताती है कि वह वस्तु किस चीज़ से बनी है। किसी पदार्थ के विशिष्ट रासायनिक हस्ताक्षर को पढ़ने के लिए, वैज्ञानिक मध्य-अवरक्त (mid-infrared) नामक प्रकाश की एक संकीखी पट्टी की तलाश करते हैं। इस सीमा में, अणु अद्वितीय पैटर्न में कंपन करते हैं, और प्रकाश के विशिष्ट रंगों को एक उंगलियों के निशान (fingerprint) की तरह अवशोषित करते हैं। इस मध्य-अfrist चमक के माध्यम से रसायनों की पहचान करने की यह क्षमता हवा में प्रदूषकों का पता लगाने से लेकर अस्पताल में बीमारियों के निदान तक, हर चीज़ के लिए महत्वपूर्ण है। फिर भी, दशकों तक, इस तकनीक का उपयोग करना बड़े प्रयोगशालाओं के लिए आरक्षित एक विशेषाधिकार रहा है। इन उंगलियों के निशानों को पढ़ने के लिए आवश्यक मशीनें आमतौर पर विशाल, महंगी होती हैं और उन्हें काम करने के लिए अक्सर जमा देने वाले तापमान पर रखने की आवश्यकता होती है, जिससे उन्हें कारखाने या किसी दूरस्थ क्षेत्र में ले जाना असंभव हो जाता है।
चीन के जिनान विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब एक ऐसा उपकरण बनाया है जो इस शक्तिशाली तकनीक को एक डेस्क के आकार में, और संभावित रूप से एक जेब में फिट होने वाले आकार में ले आता है। उन्होंने इसे स्पेक्ट्रोस्कोपी के बारे में वैज्ञानिकों के सोचने के तरीके को बदलकर हासिल किया। प्रकाश के उत्सर्जित होने के बाद उसे फिल्टर करने की कोशिश करने के बजाय, जिसके लिए जटिल लेंस और डिटेक्टरों की आवश्यकता होती है, उन्होंने स्वयं प्रकाश स्रोत को ही इंजीनियर किया। उन्होंने एक छोटा चिप बनाया जो एक थर्मल उत्सर्जक (thermal emitter) के रूप में कार्य करता है, लेकिन एक मोड़ के साथ: इसे मध्य-अवरक्त प्रकाश के बहुत विशिष्ट, संकीर्ण रंगों में चमकने के लिए ट्यून किया जा सकता है। इस इंजीनियर चिप को एक मानक, बिना शीतलन वाले (uncooled) थर्मल कैमरे के साथ जोड़कर—जो रात के विजन या भवन निरीक्षण के लिए उपयोग किया जाता है—उन्होंने एक स्पेक्ट्रोमीटर बनाया, जो छोटा, सस्ता है और जिसे संचालित करने के लिए जमा देने वाले तापमान की आवश्यकता नहीं है।
उनके आविष्कार का केंद्र जर्मेनियम से बनी सूक्ष्म आकृतियों वाला एक सपाट चिप है, जो एक ऐसी सामग्री है जिसके ऑप्टिकल गुण गर्म होने पर बदल जाते हैं। शोधकर्ताओं ने इन आकृतियों को इस तरह से डिजाइन किया कि वे प्रकाश को इस तरह से कैद कर सकें जो एक उच्च-गुणवत्ता वाला अनुनाद (resonance) पैदा करे, एक ऐसी अवस्था जहाँ प्रकाश बाहर निकलने से पहले मजबूती से कंपन करता है। यह डिज़ाइन, जिसे 'क्वासी-बाउंड स्टेट इन द कॉन्टिनम' (quasi-bound state in the continuum) के रूप में जाना जाता है, चिप को प्रकाश के एक विस्तृत प्रसार के बजाय रंगों की एक बहुत ही संकीर्ण पट्टी में उत्सर्जित करने की अनुमति देता है। विश्लेषण के लिए आवश्यक संपूर्ण मध्य-अवरक्त रेंज को कवर करने के लिए पर्याप्त अलग-अलग रंग प्राप्त करने हेतु, टीम ने एक चतुर दो-चरणीय रणनीति का उपयोग किया। पहले, उन्होंने चिप पर आठ अलग-अलग भौतिक चैनल बनाए, जिनमें से प्रत्येक आकार में थोड़ा भिन्न था ताकि एक अलग आधार रंग उत्सर्जित किया जा सके। दूसरा, उन्होंने इस तथ्य का लाभ उठाया कि जर्मेनium का अपवर्तनांक (refractive index) तापमान बदलने पर बदल जाता है। चिप को पांच अलग-अलग तापमानों तक गर्म करके, वे प्रत्येक आठ चैनलों द्वारा उत्सर्ited रंग को थोड़ा बदल सकते थे। इस हाइब्रिड दृष्टिकोण ने उन्हें केवल आठ भौतिक संरचनाओं से चालीस विशिष्ट, संकीर्ण-बैंड रंग चैनल उत्पन्न करने की अनुमति दी, जिससे मध्य-अfrist प्रकाश का एक घना पैलेट तैयार हुआ।
इस प्रणाली को सिद्ध करने के लिए, शोधकर्ताओं ने अपने चिप को एक अनकूल्ड थर्मल कैमरे के सामने रखा और इसे विभिन्न तापमानों पर गर्म किया। जैसे-जैसे चिप चमका, कैमरे ने प्रत्येक चालीस चैनलों से आने वाले प्रकाश की तीव्रता को कैप्चर किया। जब उन्होंने चिप के सामने एक नमूना रखा, तो नमूने ने कुछ विशिष्ट रंगों पर प्रकाश को अवशोषित कर लिया, जिससे कैमरे की छवि पर गहरे और चमकीले धब्बों का एक अनूठा पैटर्न बन गया। यह पैटर्न एक कोड की तरह काम करता था। एक गणितीय पुनर्निर्माण पद्धति का उपयोग करते हुए, टीम ने कैमरे की थर्मल इमेज को डिकोड किया ताकि नमूने से गुजरने वाले प्रकाश के सटीक स्पेक्ट्रम का पता लगाया जा सके। उन्होंने दो शिखर (peaks)ों को अलग करने की प्रणाली की क्षमता का परीक्षण करने के लिए बहुत करीब स्थित दो शिखरों वाले कृत्रिम स्पेक्ट्रा बनाए। उन्होंने पाया कि यदि शिखर कम से कम 100 नैनोमीटर की दूरी पर हों, तो प्रणाली दो शिखरों को विश्वसनीय रूप से अलग कर सकती है, जो कई सामान्य रसायनों की पहचान करने के लिए पर्याप्त रिज़ॉल्यूशन है।
असली परीक्षण तब आया जब उन्होंने अपने उपकरण को वास्तविक दुनिया की सामग्रियों पर लागू किया। उन्होंने पॉलीप्रोपाइलीन और पॉलीविनाइल क्लोराइड जैसे सात अलग-अलग प्रकार के प्लास्टिक की सफलतापूर्वक पहचान की, जो केवल उनके मध्य-अfrist उंगलियों के निशानों के आधार पर सटीक रूप से अलग किए गए। उन्होंने एक रासायनिक घोल की सांद्रता को भी मापा, जिससे पता चला कि उपकरण एक प्रतिशत के एक अंश जितनी छोटी परिवर्तन को भी पकड़ सकता है। शायद सबसे प्रभावशाली बात यह थी कि उन्होंने वास्तविक समय में एक रासायनिक प्रतिक्रिया को देखने के लिए स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग किया। उन्होंने एक पॉलीमर प्रिकर्सर के एक तैयार प्लास्टिक फिल्म में रूपांतरण की निगरानी की, और सामग्री को गर्म करते समय नए आणविक बंधों के निर्माण को ट्रैक किया। उपकरण ने एक विशिष्ट रासायनिक हस्ताक्षर के क्रमिक उद्भव को कैप्चर किया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि यह सामग्री के नमूने लिए बिना या प्रक्रिया को रोके बिना, विनिर्माण प्रक्रिया की प्रगति को ट्रैक कर सकता है।
यह कार्य प्रदर्शित करता है कि उच्च-रिज़ॉल्यूशन मध्य-अfrist स्पेक्ट्रोस्कोपी के लिए भारी, क्रायोजेनिक रूप से ठंडी मशीनों की आवश्यकता नहीं है। स्पेक्ट्रल हेरफेर को स्रोत पक्ष पर ले जाकर और एक हाइब्रिड एनकोडिंग रणनीति का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा सिस्टम बनाया है जो संक्षिप्त और लागत प्रभावी दोनों है। यह उपकरण मानक थर्मल इमेजिंग तकनीक पर निर्भर करता है, जो पहले से ही व्यापक रूप से उपलब्ध और सस्ती है, लेकिन यह इंजीनियर चिप के माध्यम से रासायनिक बुद्धिमत्ता की एक परत जोड़ता है। यह दृष्टिकोण स्केलेबल है, जिसका अर्थ है कि समान सिद्धांतों का उपयोग अधिक जटिल इमेजिंग कार्यों के लिए और भी घने सेंसर एरे बनाने के लिए किया जा सकता है। एक छोटे, अनकूल्ड डिवाइस के साथ आणविक उंगलियों के निशानों को पढ़ना संभव बनाकर, यह शोध उन्नत रासायनिक विश्लेषण को प्रयोगशाला से बाहर निकालकर उन इंजीनियरों, डॉक्टरों और पर्यावरण निगरानीकर्ताओं के हाथों में लाने का मार्ग खोलता है जिन्हें इसकी सबसे अधिक आवश्यकता है।
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