上海維立勝衡傳感器有限公司
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閱讀：100發(fā)布時(shí)間：2025-3-2
昆蟲的復(fù)眼在結(jié)構(gòu)上與人類的眼睛不同，兩者幾乎是一個(gè)獨(dú)立的器官類別，不同的晶狀體、角膜、虹膜和視網(wǎng)膜的眼睛排列。例如，亞洲燕尾蝴蝶可以看到紫外線光譜中的光波長，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人類視覺的限制。
伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校(UIUC)的研究人員受到亞洲燕尾蝴蝶復(fù)眼的啟發(fā)，開發(fā)出了一種可以檢測(cè)紫外線的新型相機(jī)傳感器，此成果已被發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上，新設(shè)備擴(kuò)展了實(shí)時(shí)光學(xué)傳感器的功能其熒光晶體層使其對(duì)紫外線(UV)敏感。這種設(shè)計(jì)模仿了亞洲燕尾蝴蝶復(fù)眼中熒光化合物的功能，可能有助于開發(fā)新的醫(yī)療設(shè)備和成像技術(shù)。
亞洲燕尾蝴蝶之所以能夠看到紫外線，是因?yàn)橛袃煞N互補(bǔ)的機(jī)制。其中一個(gè)是眼睛中的一組細(xì)胞，就像人眼中最短的視錐細(xì)胞一樣，對(duì)藍(lán)光最敏感，但對(duì)近藍(lán)色紫外線也敏感。然而，為了看到UVA和UVB范圍內(nèi)較短波長的光（280至400 nm），蝴蝶使用了一個(gè)巧妙的技巧：昆蟲眼睛內(nèi)含有熒光染料的細(xì)胞在受到紫外線輻射激發(fā)時(shí)會(huì)輻射出一條綠光。這些染料將原本不可見的紫外線轉(zhuǎn)化為蝴蝶可以看到的信號(hào)。
UIUC團(tuán)隊(duì)使用分層CMOS設(shè)計(jì)和頂層熒光鈣鈦礦晶體構(gòu)建了傳感器。與Foveon芯片類似，傳感器的三個(gè)感光層將可見光光譜分為三個(gè)波段，峰值靈敏度為藍(lán)色、綠色和紅色。這些波段由每層的寬度和位置決定，紅光穿透到的傳感器層，藍(lán)光僅激活層。
雖然這種CMOS傳感器排列確實(shí)模仿了xuthus眼睛中分層感光細(xì)胞的部分紫外線敏感性，但UIUC芯片的真正魔力來自于傳感器表面沉積的一層鈣鈦礦晶體。鈣鈦礦納米晶體(CsPbBr 3)在紫外線輻射下發(fā)出熒光，并對(duì)可見光透明。當(dāng)受到紫外線照射時(shí)，這種熒光會(huì)使晶體層發(fā)出綠光。
就像亞洲燕尾蝴蝶復(fù)眼中發(fā)現(xiàn)的熒光染料一樣，鈣鈦礦納米晶體將入射的紫外線轉(zhuǎn)換為CMOS傳感器已經(jīng)響應(yīng)的波長。與藍(lán)波段傳感器層對(duì)近紫外光的部分敏感性相結(jié)合，鈣鈦礦熒光使傳感器能夠在其表面的任何點(diǎn)實(shí)時(shí)解析精確的紫外光波長（小至250 nm）。
“在兩種成分中檢測(cè)到紫外線，”伊利諾伊大學(xué)香檳分校教授、該論文的另一位作者聶樹明說。“個(gè)是納米晶體吸收的紫外線，將其轉(zhuǎn)化為可見信號(hào)（在我們的例子中為綠色），然后由光電二極管接收。還有殘留的紫外線被頂層光電二極管拾取。我們可以使用這兩者的比率來計(jì)算紫外線波長。”
研究人員表示，這是紫外線傳感技術(shù)的一大進(jìn)步。“據(jù)我所知，沒有一種紫外線傳感技術(shù)可以同時(shí)提供具有精確波長分辨率的實(shí)時(shí)2D圖像，而紫外光譜儀可以為您提供更多光譜信息，但于單個(gè)點(diǎn)。”
這種快速、靈活的傳感器有直接的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。研究人員還表明，該設(shè)備可以根據(jù)紫外熒光區(qū)分實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的癌細(xì)胞和非癌細(xì)胞。癌細(xì)胞過量產(chǎn)生某些種類的蛋白質(zhì)和氨基酸，在受到輻射時(shí)會(huì)在紫外線光譜中發(fā)出熒光。臨床設(shè)備可以利用這一原理快速、直接地檢測(cè)癌組織。研究人員在論文中表明，該設(shè)備可以解析癌癥指示蛋白和氨基酸、彈性蛋白、和腺嘌呤二核苷酸(NADH)的熒光紫外線特征。
在未來的工作中，研究人員計(jì)劃通過添加多個(gè)在不同波段發(fā)出熒光的鈣鈦礦晶體層來擴(kuò)展他們的設(shè)計(jì)，這將提供更好的紫外線波長分辨率。
/doi/full/10.1126/sciadv.adk3860
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