Trong thử nghiệm, thiết bị do các nhà nghiên cứu tại Đại học Cambridge phát triển đã nhận diện chính xác nhiều loại vật liệu, thực phẩm và dược phẩm, đồng thời ghi nhận tín hiệu liên quan đến đường huyết.

Nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Cambridge, Anh đã phát triển một thiết kế mới mang tên máy quang phổ tích chập, hay convolutional spectrometer. Công trình được công bố trên tạp chí Nature Photonics.

Theo nhóm nghiên cứu, bộ thiết bị hoàn chỉnh có kích thước tính bằng centimet và chi phí chế tạo khoảng 10 USD. Hệ thống được xây dựng trên nền tảng quang tử tích hợp bằng silicon nitride, kết hợp chip quang học với các mạch điện tử xử lý tín hiệu.

Điểm khác biệt nằm ở cách thiết bị thu nhận và phân tích ánh sáng. Thay vì tách ánh sáng thành các bước sóng riêng biệt như nhiều máy quang phổ truyền thống, hoặc phụ thuộc nhiều vào thuật toán để tái dựng phổ, hệ thống mới khai thác trực tiếp một phép toán gọi là tích chập trong miền quang học.

Các thành phần quang học được bố trí thành chuỗi, tạo ra những đáp ứng phổ lặp lại có thể điều chỉnh theo tỷ lệ. Nhờ đó, hệ thống thu nhận thông tin về phổ ánh sáng theo cách có cấu trúc, sau đó sử dụng phép biến đổi Fourier nhanh để khôi phục phổ cần phân tích.

TS Chunhui Yao, một trong những tác giả chính của nghiên cứu cho biết, đưa định lý tích chập trực tiếp vào miền quang học giúp giảm nhiều hạn chế của máy quang phổ thu nhỏ, đồng thời tăng khả năng chống nhiễu và giảm lượng tính toán cần thiết.

Thiết bị hoạt động trong vùng hồng ngoại gần, với dải bước sóng từ 1.200 đến 1.700 nanomet. Quá trình lấy mẫu và xử lý có thể hoàn thành trong chưa đầy một giây. Thiết kế cũng cho phép mở rộng băng thông bằng cách bổ sung các thành phần quang học, thay vì phải thay đổi toàn bộ kiến trúc phần cứng.

Trong các phép thử được báo cáo, hệ thống phân loại nhựa, dược phẩm, cà phê, bột mì và trà với tỷ lệ chính xác 100%.

Nhóm nghiên cứu thử nghiệm hệ thống với độ ẩm da, nồng độ cồn trong máu, lactate và glucose. Đáng chú ý, thiết bị đã ghi nhận biến động glucose không xâm lấn trong một người tham gia suốt một khoảng thời gian kéo dài.

Cảm biến duy trì hoạt động trong khoảng nhiệt độ từ âm 20 đến 80 độ C. Khả năng chịu biến đổi nhiệt này có thể hữu ích khi tích hợp công nghệ vào thiết bị đeo, hệ thống kiểm soát chất lượng trong nhà máy hoặc thiết bị quan trắc ngoài trời.

GS Richard Penty, nhà nghiên cứu tham gia thiết kế và tích hợp hệ thống quang tử, nhận định kiến trúc tương đối đơn giản giúp thiết bị có tiềm năng mở rộng sản xuất, trong khi vẫn đạt độ chính xác cạnh tranh với những công cụ lớn hơn.

Nếu được phát triển thành sản phẩm thương mại, cảm biến giá rẻ có thể giúp mở rộng phạm vi ứng dụng của phép đo quang phổ.

Trong công nghiệp, nhiều cảm biến nhỏ có thể được bố trí trên dây chuyền để kiểm tra nguyên liệu và chất lượng sản phẩm liên tục.

Trong ngành thực phẩm, công nghệ có thể hỗ trợ đánh giá thành phần hoặc phát hiện thay đổi về chất lượng. Các hệ thống tương tự cũng có thể được dùng để phân tích môi trường.

Trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe, viễn cảnh hấp dẫn nhất là những thiết bị đeo có khả năng theo dõi một số chỉ dấu sinh học mà không cần lấy mẫu xâm lấn.