如何看待浙大学子的黑科技——量子点光谱仪?

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此前有新闻说我们有没有办法可以迅速地分辨劣质化妆品和假酒呢?毕业于浙江大学的陈明烨及其团队,发明了辨伪黑科技产品:用量子点光谱仪产品检测,可以以秒为单位,对物质进行检测,提供直接可视化的检测结果。
 
据他介绍,酒类光谱仪检测产品已经成功研发,从外形到使用方法,十分简单。“酒类检测仪会告诉你,这是茅台还是二锅头。如果是二锅头,那么是牛栏山的还是红星的。”
 
以伏特加为例,只需要将10ml左右待检测的酒,倒入检测容器内,然后将盖子合上,产品会通过光谱检测来采集白酒的微光谱信息。将手机和产品通过蓝牙匹配以后,微光谱信息会传送到手机App,与云端的数据比对,再通过加工修饰将特征性光谱数据,即匹配度最高成分,以及该成分的匹配度,直接通过手机App显示给用户,匹配度达到97%以上可以判定为真酒。
 
不过假若设备电压不足,会导致蓝牙信号下降,从而对匹配度造成一定影响。前期研发过程中,通过样品分析,公司已经初步完成了云端数据库的建立。研发初期,由于能够提供酒类的生产商很少,所以大部分的样品酒还是由公司自行购买的。目前,已经能检测50种酒,包括茅台、五粮液等。陈明烨说,现在“已经拿到一批由经销商提供的酒”,种类更加丰富,可以从检测数量、检测精度等方面做出进一步的提升。

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另外,关于化妆品的光谱仪检测产品,目前仍旧在研发过程中。他说,团队已经和相关公司建立合作关系,目前正在对从合作伙伴那边拿到的化妆品样品进行成分分析,完善云端的数据库。同时,和一些化妆品的厂商开展合作,扩充自身数据资源,升级数据库。他透露,化妆品检测仪器要小得多,和口红差不多大小。目前研发的设备,主要能够检测液体类的化妆品,例如爽肤水、乳液等。他们希望达到的目标是,比如口红或眉笔,无需取样,而是像紫外线验真伪钞一样,只需通过照射就可以即时反映检测结果,“甚至是隔着小棕瓶直接检验精华真伪”。陈明烨希望,通过这个产品,大家都能够方便地在家检测化妆品,仪器的价格是在普通大众的接受范围之内,控制在两百元左右。


“我们接下来在消费级检测领域的目标,是做一款集成式的日用消费级检测设备,可以同时帮我们分辨包括化妆品、酒类、药品、奶粉、食用油等多种产品。”“二郎神的第三只眼是用来辨别妖怪的,光谱仪就可以算是为人类安装的第三只眼,来看透事物的本质和真相。”陈明烨这样形容光谱仪,通过测量物体表面发射的光线,加工获得光谱信息,从而测知物品中含有何种元素。


陈明烨介绍,量子点光谱仪调制列阵的成本仅需5~6美元。他们的目标是能将检测仪器价格控制在每个普通家庭都可以承受的范围之内,希望将人工智能落地到具体的生活场景中,为人们提供便利。
 
  

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那我们来分析一下创始人,陈明烨先生毕业于浙江大学竺可桢学院,不懂得可以自行百度或者脑补,浙大学子中的佼佼者,总之一句话出(非)类(常)拔(牛)萃(X)。

据说对发明创造感兴趣的他,喜欢自己动手做一些好玩的东西。然后呢,陈明烨认为创业从来都不是一个人的单枪匹马的事,团队的合作是必不可少的,所以陈明烨的创业伙伴是本科时的同班同学,加上竺可桢学院的大理科平台,使得不同专业的同学能在一起交流碰撞出有意思的点子。
 
要么我们看看这个团队的成员组成:
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不用介绍了吧,都是比较厉害的,看样子就是技术奇才啊。由此盗火者神奇四侠归位,盗火者科技正式成立。一看这个公司名字就比较酷,到底有什么名堂呢?据铅笔道采访陈明烨得知:


希腊神话中,普罗米修斯盗取天火,带给人类智慧。陈明烨及其团队想要做同样的事。2016年12月,陈明烨和他的4名同学一起创办了盗火者科技,专注于量子点光谱仪的研发与生产。该产品主要用于水质、空气、食品和药品等领域的检测工作。公司的核心技术已经突破,第一代样机在今年2月完成。目前盗火者科技主要有2B和2C两条产品线,B端产品主要面向科研机构、环保单位和相关检测企业;C端产品则用于酒类和化妆品检测,其中化妆品检测产品将于今年年中上线。


陈明烨创业几年后的深刻体会就是在检测领域真正核心和最有价值的是传感器。这点个人非常认同,之前在国内掀起轩然大波的“中芯事件”也给检测领域的人警醒,陈明烨认为目前的现状是:传感器的开发基本被国外企业垄断,“美国的海洋光学、日本的滨松光电等,他们的设备在国内几十万/台,大家仍趋之若鹜”。


用于检测的光谱仪制造方案最核心的元器件是光栅。而光栅成本较高,最便宜的光栅一片大约需要1000美金,因此光谱仪的造价不会低于3000美金。国内目前生产光栅的企业,其产品可靠性和一致性上,远不如国外先进。没有核心的技术,国内企业很难在行业内分一杯羹。作为技术极客的陈明烨便萌生了一个念头——自己入局做一款光谱仪传感器。


由于在光栅上没有技术积累,陈明烨团队不得不另辟蹊径。他们选择的方案是量子点光谱仪(突然想到了清华鲍捷团队的技术)。这套方案来自于他的大学同学——材料学和光学的双博士王肖隆。使用“切片”(spectrometer die)取代光栅的方案,通过制造量子点滤光阵列的方式研发光谱仪。据说这不仅能让团队在技术上扬长避短,而且能大幅度降低造价成本:光栅至少需要1000美金的生产成本,但是量子点光谱仪的方案,核心元器件的制造只需要5美金。
 
据说这种新型光谱仪与传统光谱仪不同,其体积不受光路元件的限制,可以让微型光谱传感器的实现成为可能,甚至可以利用已有的手机、照相机等设备的光电模块,将光谱传感器集成在手机等移动设备中,方便地实现光谱检测功能。
 
说了这么多,我们还是来看看浙大的量子点光谱仪的核心元器件。
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这就是取代光栅的新方案,但是量子点光谱仪的开发仍然面临许多困难。例如目前在业界,量子点材料的合成路线是公开的。但是光路设计、量子点制造、半导体增材制工艺仍然需要自己研发。其中最困难的便是合成材料的选择,据说陈明烨团队要在数十种材料做出最优的选择,同时还要区别实验失败原因是选材还是试验方法的错误。
 
今年2月,盗火者量子点光谱技术取得了突破,核心元器件顺利开发,而且大小只有6mm*6mm。样机可以在以秒为单位的时间内,对物质进行检测。当然啦,说是可以这么说,我个人还没见过,待查证。关于到底什么是量子光谱仪,下一步在科普。先看看盗火者的商业模式,从铅笔道了解到是同时2B和2C。

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2B:食品药品生产企业、食品药品监督管理局、质监局、环保局、海洋监测部门、光电产品生产企业、石油生产企业等。专业级产品提供的量子点光谱仪包含了光学激励源和量子点光探测器两部分,结合嵌入式SOC(目前采用ARM Cortex-M处理器)和通信模块可以实现专业检测的云化和便携化。
 
以水质检测为例,该产品可以替代当前大型在线检测柜(常用化学消解法),以极小的体积(长+宽+高<300mm,大约是传统大型检测柜的1%的体积)部署于各种小型浮标上,依靠太阳能驱动,无需依赖外部电源就可以完成长期在线水质分析。传统的水质检控站不仅需要试剂,还需要几十分钟的反应时间,设备造价也需要几万元。而送到使用化学法的专业实验室检测一次也要花费1000元。但盗火者的量子点光谱仪可以在以秒为单位的时间内对水质进行检测,同时不会对水源造成污染。产品价格仅为国外产品的1/4~1/3,并且人为维护需求低,可以降低客户人力成本。(感觉这个应用跟水侦探有点类似,之前水侦探也是否认自己是红外或者近红外技术,而是基于自主研发的微型分子光谱)
 
2C:用于白酒、化妆品检测的消费级产品。公司白酒的数据库已经建立完成,光谱仪产品可以在“六七杯白酒中,分辨出哪一杯是茅台,哪一杯是五粮液”。
 
以茅台为例,量子点光谱仪会通过全光谱检测来采集白酒的微光谱指纹信号,在嵌入式设备中将光电信号还原成微光谱信息,接着微光谱数据通过蓝牙提交到手机App里,手机App再将加工修饰后的特征光谱数据提交到服务端,通过算法对比来鉴定成分,最终得出结论。用户可在手机端查看茅台白酒的鉴定结果。
 
化妆品领域,盗火者科技和互联网奢侈品鉴定公司“淘当铺”建立了合作,合作开发适用于女性的化妆品检测仪。这款检测仪将在今年年中问世,检测功能可在寿命范围内无限次使用,“最终定价应该会在500元以内”。(这么优秀!500块买不了吃亏,买不了上当,将成为可能)
 
而在后台数据端方面正在寻找各领域的企业进行数据采集的合作,以帮助他们做防伪鉴定和扩展自身数据资源。随着后台数据库的升级和扩充,C端量子点光谱仪的产品还可用于奶粉、药品等领域的检测。(近红外光谱分析技术在奶粉检测中的应用点探讨)(近红外科技检测奶粉碰壁,理想与现实的冰与火之歌如何演奏?
 
从战略布局来看主要和商家合作。C端的产品与淘当铺等一起开发和销售。B端的产品,则会交给元器件集成代理商进行销售。
 
总之期待人类都能尽快享受到量子点光谱技术带来的红利。当然现实肯定还有很多技术难点需要攻克。其实我们都无法真正预测未来,因为科技并不会带来确定的结果。
 
 
 
 
 
 
 
 

指点传道者 - 师者所以传道受业解惑也

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之前就听说过,美国宇航局(NASA)和麻省理工学院(MIT)正在展开相关合作研究,众所周知,光谱仪作为探测设备,几乎搭载在所有的航天器上来完成空间任务。NASA希望采用量子点技术来改变现有光谱仪的构建以及集成方式,同时实现成本的大幅降低。也就是说如果基于量子点波长“滤波器”的原型机能够研制成功,将大大减小空间应用中使用的光谱仪的体积。

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(首席研究员Mahmooda Sultana)

此项目由NASA戈达德太空飞行中心Mahmooda Sultana以及麻省理工学院化学教授Moungi Bawendi领导的研究小组共同合作,由支持高风险技术研发的美国航天局创新中心基金资助。Bawendi教授的研究团队从20世纪90年代初便率先开始了量子点技术的研究,并开发了光伏、生物以及微流体方面的应用。同时,量子点技术也开始对消费电子产业产生重大影响,许多电视机厂商正着手采用新技术以提高LCD的显示质量。
 
Sultana教授表示,该方法能够实现天基及其他类型光谱仪的小型化和革命性的发展,尤其是那些应用于无人飞行器和小型卫星上的光谱仪。在给NASA的一份报告中,她表示“量子点技术确实可以简化仪器的集成。”它可以以吸收光谱的形式工作,代替光学部件的传统结合方式。传统的光谱仪利用光栅、棱镜或干涉滤光片将光分成不同的波长,然后探测产生光谱,而量子点本身就可以实现对光的有效滤波。
 
量子点对光的吸收或发射取决于它们的直径大小——尺寸越小,量子点吸收的光的波长也将越小——因此原理上,不同尺寸的量子点阵列可以实现相似光学装置的作用。虽然集成光学以及光电子器件的发展使得传统光谱仪已实现小型化,但它们仍然过大。
Sultana解释说:


“采用光栅或棱镜等传统光谱仪,光谱分辨率的增加会让分光仪器的光路相应变长,仪器的体积通常会较大。但在量子点光谱仪中,由于量子点可以根据尺寸和形状的不同像滤波片一样来吸收不同波长的光,仪器可以变得超紧凑。换句话说,量子点可以取代传统光谱仪中的光栅、棱镜以及干涉滤光片等光学元件的使用。”


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理论上,量子点光谱仪可以基于无限数量的不同尺寸的量子点来实现高分辨率。
Sultana表示:


这样就可以产生一个持续可调的、独立的一组吸收滤波器,其中每个像素都是由特定尺寸、形状或成分的量子点组成。我们可以精确控制每个量子点的吸收,或者定制仪器,用高光谱分辨率来观察不同波段。


目前,Sultana正在开发论证一个对可见光敏感的20×20量子点阵列,用于对太阳光和极光进行成像。原理上,该技术可以扩展到更广的波长范围,从紫外光到中红外光,实现在地球科学、太阳物理学和行星科学等许多空间领域的潜在应用。NASA报告称,Sultana教授正在为立方体卫星应用开发一个概念仪器,同时麻省理工学院的博士生JasonYoo正在研究一项技术,合成不同前体化学品来创建量子点,并将它们打印到合适的承印物上。Sultana表示:“我们希望最终能将量子点直接打印到探测器像素上。”虽然该技术目前还处于开发的早期阶段,NASA研究人员也补充表示他们将努力尽快提高技术水平。Sultana表示,将会有几个太空科学任务从这项技术中受益。

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有兴趣的话可以去看下NASA官网原文。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

指点的知青们 - 知识青年合体

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无独有偶,之前就听说过清华鲍捷团队在进行量子点光谱仪的研发,为何这么巧合?我们可以看下鲍捷先生的履历:


鲍捷:2002-2006年于清华大学化学系攻读学士学位,2006-2010年于美国布朗大学攻读博士学位,2010-2013年在美国麻省理工学院从事博士后研究,导师是莫吉·巴旺迪(Moungi Bawendi)。2013年底加入清华大学电子工程系任博士生导师,并建立量子光谱集成器件实验室,继续进行相关的研究。


应该就是跟NASA合作的MIT的Moungi Bawendi,所以一切就很清晰了。


“利用量子点来做光谱仪把之前的很多想法进行了结合,并且能充分利用量子点的可调节性,这将是一项很有意义的工作。而且,经过调查发现这一方向之前还没有被尝试过。”


所以鲍捷便将量子点纳米技术和光谱方法进行结合,开始了量子点光谱仪的研究。这项工作在麻省理工学院(MIT)启动并进行了实验工作,后期的深入研究分析以及发展等方面的工作在清华大学完成。

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光栅与量子点工作原理对比图,芯视界是这么介绍量子点光谱技术的:


光谱仪器的发展经历了漫长的时间,最初牛顿发现一束白光透过棱镜可以被分成由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫色组成的光带,这是最早人们认识到光谱的存在。后来,人们发现光栅也可以把光分开,而且它对光的解析能力比棱镜强大许多,发展到今天,几乎所有的光谱仪均是基于光栅的光谱仪。光栅易损、体积大、加工复杂、成本高,而且要达到好的分光效果所需的光程也较长,这些因素都使得基于光栅的光谱仪体积巨大,成本昂贵。另外,光栅的许多重要的性能之间存在相互矛盾的关系,如体积、光谱分辨率、光谱范围等,提高一个方面通常会意味着牺牲另外一方面。
 
与光栅不同,量子点本身对光具有吸收性能,不同大小的量子点可以吸收不同波长的光,在光谱仪中用量子点来代替光栅,可以实现多波长测量同时进行;将不同种类的量子点集中在一张薄膜上做成的光谱仪,可以实现对多组份同时进行测量,提高光利用率。由于在很宽的光谱范围内可以得到多种量子点,所以量子点光谱仪的分辨率和光谱范围理论上可以同时提高,不会相互矛盾。
  
鲍捷论文中所展示的量子点光谱仪是将195种量子点集中在一张薄膜上,在300nm的光谱范围内其分辨率可达1nm;由于进入仪器的光不需要通过狭缝,光的通量大,光利用率可以达到50%。如果使用更多不同种类的量子点,量子点光谱仪理论上可以覆盖更广的范围(比如目前量子点可覆盖从200nm到约5µm的光谱范围),可以达到的分辨率也将会远远超过论文所展示的量子点光谱仪的水平。
 
量子点是一种无机材料,本身稳定高,量子点光谱仪又利用的是其对光的吸收性能,可以说是量子点最稳定的性质,加以各种保护机制,综合以上三点,量子点光谱仪稳定非常好。论文所展示的量子点光谱仪经过初步验证其灵敏度、检测限、信噪比及光谱获取速度等都与现有的微型光谱仪相当。另一方面量子点阵列可以加工到几毫米见方甚至更小;由于不需要线性检测器,配置的二维检测器的阵列也可以达到这个量级,这些都使得量子点光谱仪体积可以做到几立方毫米甚至更小。
 
量子点光谱仪在成本方面与现有微型光谱仪相比也有很大的优势,一台量子点光谱仪内所含量子点的量远不到1mg,而现有实验室量子点材料的合成水平已经达到几克、十几克,工业上甚至可以达到千克甚至吨的水平,所以一台量子点光谱仪所需量子点的成本远低于几元钱。


个人觉得若是要进行万物互联阶段,光谱信息化需要大范围的硬件设备铺路,这就需要把成本降低到人人都可以接受的价位。
 
 
 
 
 

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