معجزه طیف‌سنج‌های ریز: کشف اسرار ستارگان و تشخیص بیماری با فناوری نوین!

طیف‌سنج‌ها: تحول در روشنایی‌خوانی

طیف‌سنج‌ها دستگاه‌هایی هستند که برای درک و تحلیل نور ساخته شده‌اند و ریشه‌ی آن‌ها به زمان فیزیکدان نامدار قرن هفدهم میلادی، آیزاک نیوتن، برمی‌گردد. این ابزارها با تجزیه نور به رنگ‌های تشکیل‌دهنده‌اش، یا همان طیف‌ها، اطلاعاتی را درباره‌ی مواد اندازه‌گیری‌شده ارائه می‌دهند. پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا، سانتا کروز، در حال ابداع روش‌های جدیدی برای ساخت طیف‌سنج‌های بسیار کوچک اما قدرتمند هستند که قابلیت استفاده در حوزه‌های مختلفی همچون تشخیص بیماری‌ها تا رصد ستارگان در کهکشان‌های دوردست را دارند. تولید ارزان این دستگاه‌ها، آن‌ها را در دسترس‌تر و قابل تنظیم برای کاربردهای خاص می‌کند.

این گروه تحقیقاتی که حاصل همکاری‌های بین‌رشته‌ای است و توسط پروفسور هولگر اشمید، استاد مهندسی برق و کامپیوتر در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا کروز و پروفسور کوین باندی، استاد نجوم و اخترفیزیک، هدایت می‌شود، جزئیات دستاورد خود را در مقاله‌ای در مجله‌ی معتبر APL Photonics منتشر کردند. آن‌ها یک طیف‌سنج جدید و با عملکرد بسیار بالا معرفی کرده‌اند که قادر است نور را با دقت طول موج ۰.۰۵ نانومتر اندازه‌گیری کند. این دقت تقریباً ۱.۶ میلیون برابر از ضخامت یک تار موی انسان کمتر است و همان دقتی را دارد که می‌توان در دستگاهی ۱۰۰۰ برابر بزرگتر به دست آورد. اشمید، نویسنده ارشد مقاله و متخصص باتجربه در زمینه توسعه تراشه‌های تشخیص نور، می‌گوید: “عملکرد این دستگاه، اساساً با یک طیف‌سنج بزرگ و گران‌قیمت برابری می‌کند. این واقعاً قابل توجه و بسیار رقابتی است.”

دستگاه‌های کوچک‌سازی‌شده

کوچک‌سازی طیف‌سنج‌ها یک زمینه تحقیقاتی فعال است، زیرا این دستگاه‌ها در بسیاری از عرصه‌ها کاربرد دارند، اما می‌توانند به بزرگی یک ساختمان سه‌طبقه بوده و هزینه‌ی بسیار زیادی داشته باشند. با این حال، طیف‌سنج‌های کوچک‌شده اغلب عملکرد خوبی نسبت به دستگاه‌های بزرگ‌تر ندارند، یا ساخت آن‌ها بسیار دشوار و پرهزینه است، چرا که به فناوری نانوساخت بسیار دقیقی نیاز دارند. محققان دانشگاه کالیفرنیا، سانتا کروز، دستگاهی را طراحی کرده‌اند که می‌تواند عملکرد بالایی را بدون این تولید پرهزینه ارائه دهد.

دستگاه آن‌ها یک قطعه‌ی موج‌بر مینیاتوری و قدرتمند است که بر روی یک تراشه نصب می‌شود و برای هدایت نور به یک الگوی مشخص – بر اساس رنگ آن – استفاده می‌شود. اطلاعات به‌دست‌آمده از تراشه به یک الگوریتم یادگیری ماشینی منتقل می‌شود که الگوهای ایجاد شده توسط طول موج‌های مختلف نور را تحلیل می‌کند تا تصویر را با دقت و صحت بسیار بالا بازسازی کند. این روش به “طیف‌سنجی بازسازی‌کننده” شناخته می‌شود. این تکنیک نتایج دقیقی را تولید می‌کند، زیرا الگوریتم‌های یادگیری ماشینی نیاز به ورودی بسیار دقیق ندارند تا بتوانند الگوهای نوری را تشخیص دهند. همچنین، آن‌ها می‌توانند به طور مداوم عملکرد خود را بهبود بخشیده و با سخت‌افزار سازگار شوند.

به همین دلیل، محققان قادرند تراشه‌ها را با استفاده از روش‌های تولید نسبتاً آسان و کم‌هزینه بسازند، فرآیندی که به جای هفته‌ها، تنها چند ساعت طول می‌کشد. تراشه‌های سبک و جمع‌وجور برای این پروژه در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا کروز طراحی شده و در دانشگاه بریگهام یانگ با همکاری پروفسور آرون هاوکینز و دانشجویانش ساخته و بهینه‌سازی شده‌اند. هاوکینز می‌گوید: “این روش در مقایسه با طرح‌های پیچیده‌تر تراشه، فقط به یک ماسک فتولیتوگرافی نیاز دارد که تولید را بسیار ساده‌تر و سریع‌تر می‌کند.”

پیشرفت‌های نوین در نجوم و پزشکی

آخرین تحقیقات نشان می‌دهد که حتی افراد با دانش پایه‌ای نیز می‌توانند این فناوری را بازتولید کرده و دستگاهی مناسب با نیازهای خود بسازند.

مطالعات ستاره‌شناسی

پژوهشگران بر این باورند که این فناوری می‌تواند در حوزه‌های متعددی مورد استفاده قرار گیرد، اگرچه تمرکز اولیه آن‌ها بر روی ایجاد ابزارهای قدرتمند برای تحقیقات ستاره‌شناسی است. به دلیل قیمت نسبتاً پایین این دستگاه‌ها، اخترشناسان قادر خواهند بود آن‌ها را به طور خاص برای علایق تحقیقاتی خود سفارشی‌سازی کنند، که این کار در مورد ابزارهای بزرگ‌تر که میلیون‌ها دلار هزینه دارند، عملاً غیرممکن است.

تیم تحقیقاتی در حال کار بر روی عملکرد تراشه‌ها در تلسکوپ رصدخانه لیک تحت مدیریت دانشگاه کالیفرنیا (UC) است. هدف اصلی آن‌ها جمع‌آوری نور از یک ستاره و سپس بررسی سایر رویدادهای نجومی است. با دقت بالای این دستگاه‌ها، اخترشناسان می‌توانند پدیده‌هایی مانند ترکیب جو سیارات فراخورشیدی یا بررسی ماهیت ماده تاریک در کهکشان‌های کوتوله کم‌نور را درک کنند.

هزینه نسبتاً کم این دستگاه‌ها، به دانشمندان این امکان را می‌دهد که آن‌ها را برای علاقه‌مندی‌های تحقیقاتی خاص خود بهینه کنند، که این موضوع در مورد دستگاه‌های سنتی تقریباً غیرممکن است. با بهره‌گیری از تخصص طولانی‌مدت دانشگاه کالیفرنیا در سیستم‌های اپتیک انطباقی برای نجوم، محققان در حال همکاری برای یافتن بهترین روش‌ها برای جمع‌آوری نور ضعیف از ستارگان و کهکشان‌های دوردست و هدایت آن به طیف‌سنج مینیاتوری هستند.

باندی می‌گوید: «در نجوم، هنگامی که سعی می‌کنید چیزی را روی تلسکوپ نصب کنید و نور را از آن عبور دهید، همیشه با چالش‌های جدیدی مواجه می‌شوید. این کار بسیار سخت‌تر از انجام آن در آزمایشگاه است. زیبایی این همکاری این است که ما یک تلسکوپ در اختیار داریم و می‌توانیم این دستگاه‌ها را به همراه یک سامانه اپتیک انطباقی عالی روی تلسکوپ آزمایش کنیم.»

کاربردها در حوزه سلامت و فراتر از آن

فراتر از نجوم، گروه پژوهشی در این مقاله نشان می‌دهد که این ابزار قادر به تشخیص فلورسانس است؛ یک تکنیک تصویربرداری غیرتهاجمی که برای بسیاری از کاربردهای پزشکی، مانند غربالگری سرطان و شناسایی بیماری‌های عفونی، مناسب است. در آینده، آن‌ها برنامه‌ریزی کرده‌اند تا فناوری را برای تجزیه و تحلیل پراکندگی رامان (Raman scattering) نیز توسعه دهند. این تکنیک از پراکندگی نور برای شناسایی هر مولکول منحصربه‌فرد استفاده می‌کند و اغلب به عنوان یک آزمایش تخصصی برای جستجوی یک ماده شیمیایی خاص، مانند وجود داروها در بدن انسان یا آلاینده‌های سمی در محیط زیست، به کار می‌رود.

از آن‌جا که این سیستم بسیار ساده است و نیازی به تجهیزات سنگین یا سیالات – مانند سایر روش‌ها – ندارد، برای استفاده‌های میدانی بسیار مناسب و مقاوم خواهد بود. محققان همچنین نشان می‌دهند که قطعات موج‌بر فشرده را می‌توان در کنار یکدیگر قرار داد تا عملکرد سیستم را بهبود بخشید؛ زیرا هر تراشه می‌تواند طیف متفاوتی را اندازه‌گیری کرده و اطلاعات بیشتری درباره‌ی نور دریافتی ارائه دهد.

در این مقاله، محققان قدرت چهار موج‌بر را که به‌طور همزمان کار می‌کنند، نشان می‌دهند، اما اشمید بر این باور است که می‌توان صدها تراشه را همزمان به کار گرفت. این اولین دستگاهی است که توانایی استفاده از چندین تراشه به‌طور همزمان را نشان می‌دهد. محققان به تلاش‌های خود برای افزایش حساسیت دستگاه و دقت طیفی بالاتر ادامه خواهند داد.