Ένας νέος οπτικός αισθητήρας, που κοστίζει μόλις 10 δολάρια, θα μπορούσε να προσφέρει ακρίβεια εργαστηριακού επιπέδου στα φορετά συστήματα παρακολούθησης της υγείας, επιτρέποντας ενδεχομένως στους ανθρώπους να παρακολουθούν τη γλυκόζη στο αίμα χωρίς βελόνες. Η τεχνολογία θα μπορούσε επίσης να μεταμορφώσει τον έλεγχο τροφίμων, τον βιομηχανικό ποιοτικό έλεγχο και την περιβαλλοντική παρακολούθηση, σύμφωνα με πληροφορίες που παρέχει το SienceDaily.
Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Cambridge και την GlitterinTech -μια νεοφυή επιχείρηση που ιδρύθηκε από την ίδια ερευνητική ομάδα- ανέπτυξαν ένα νέο είδος οπτικού φασματομέτρου, το οποίο συνδυάζει εξαιρετική ακρίβεια με εντυπωσιακά μικρό μέγεθος και χαμηλό κόστος. Με διαστάσεις μόλις λίγων εκατοστών, η συσκευή θα μπορούσε να ενσωματωθεί σε φορητές ηλεκτρονικές συσκευές και φορετή τεχνολογία υγείας. Οι πιθανές εφαρμογές της κυμαίνονται από την παρακολούθηση σημαντικών δεικτών υγείας σε πραγματικό χρόνο έως την αναγνώριση υλικών και τον εντοπισμό μεταβολών στη χημική τους σύσταση.
Τα οπτικά φασματόμετρα λειτουργούν αναλύοντας το φως, ώστε να αποκαλύπτουν πληροφορίες σχετικά με τις ουσίες με τις οποίες αλληλεπιδρά. Αποτελούν απαραίτητα εργαλεία στην ιατρική, τη μεταποίηση, τις χημικές αναλύσεις και την περιβαλλοντική έρευνα. Ωστόσο, η σμίκρυνση αυτών των οργάνων σήμαινε παραδοσιακά συμβιβασμούς στις επιδόσεις τους. Τα συμπαγή φασματόμετρα συχνά έχουν περιορισμένα εύρη μέτρησης, μειωμένη διακριτική ικανότητα ή χαμηλότερη ακρίβεια, γεγονός που τα καθιστά καταλληλότερα για την αναγνώριση ουσιών παρά για την πραγματοποίηση ακριβών μετρήσεων.
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι ο νέος σχεδιασμός τους θα μπορούσε να ξεπεράσει αυτούς τους περιορισμούς. Η συσκευή, γνωστή ως συνελικτικό φασματόμετρο, χρησιμοποιεί μια μαθηματική αρχή που ονομάζεται θεώρημα της συνέλιξης, για να αναλύει το φως με έναν θεμελιωδώς διαφορετικό τρόπο. Σύμφωνα με την ομάδα, αυτή η προσέγγιση προσφέρει επιδόσεις που ξεπερνούν εκείνες των υφιστάμενων τύπων φασματομέτρων σε αρκετούς βασικούς τομείς, συμπεριλαμβανομένων των σχεδιασμών που βασίζονται στη διασπορά του φωτός, στους μετασχηματισμούς Fourier και στην υπολογιστική ανακατασκευή.
Ένας νέος τρόπος ανάλυσης του φωτός με εξαιρετική ακρίβεια
Τα παραδοσιακά φασματόμετρα γενικά διαχωρίζουν το εισερχόμενο φως στα επιμέρους μήκη κύματός του ή χρησιμοποιούν σύνθετους υπολογισμούς για να ανακατασκευάσουν το φάσμα του. Η νέα συσκευή ακολουθεί μια διαφορετική προσέγγιση, εκτελώντας μια μαθηματική πράξη που ονομάζεται συνέλιξη απευθείας στο εισερχόμενο φως.
Για να το πετύχουν αυτό, οι ερευνητές τοποθέτησαν οπτικά εξαρτήματα με επαναλαμβανόμενες φασματικές αποκρίσεις σε μια αλληλουχία. Αυτά τα εξαρτήματα μπορούν να περιλαμβάνουν μη ισορροπημένα συμβολόμετρα Mach-Zehnder ή μικροδακτυλίους συντονισμού. Ρυθμίζοντάς τα αναλογικά μεταξύ τους, το σύστημα μπορεί να μετατοπίζει την απόκρισή του σε διαφορετικά μήκη κύματος με ελεγχόμενο και γραμμικό τρόπο. Στη συνέχεια, χρησιμοποιούνται ταχείς μετασχηματισμοί Fourier για την ακριβή ανάκτηση του φάσματος του φωτός.
«Η βασική ιδέα ήταν να επιστρέψουμε στα μαθηματικά και να αναρωτηθούμε αν υπήρχε ένας θεμελιωδώς πιο απλός τρόπος ανάκτησης των φασμάτων», δήλωσε ο δρ Chunhui Yao, ένας από τους κύριους συγγραφείς της μελέτης. «Χρησιμοποιώντας απευθείας το θεώρημα της συνέλιξης στον οπτικό τομέα, αποφεύγουμε πολλούς από τους περιορισμούς που εμπόδιζαν την πρόοδο των μικροσκοπικών φασματομέτρων. Αυτό μας προσφέρει υψηλή ακρίβεια, ισχυρή αντοχή στον θόρυβο και πολύ χαμηλές υπολογιστικές απαιτήσεις, όλα μέσα σε ένα συμπαγές σύστημα χαμηλού κόστους».
Οι ερευνητές κατασκεύασαν το φασματόμετρο χρησιμοποιώντας μια φωτονική πλατφόρμα νιτριδίου του πυριτίου και το ενσωμάτωσαν με ηλεκτρονικά συστήματα που βρίσκονται πάνω στη συσκευή. Λειτουργεί σε ένα ευρύ φάσμα μηκών κύματος του εγγύς υπέρυθρου (1.200–1.700 nm) και μπορεί να συλλέγει και να επεξεργάζεται μετρήσεις σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο.
Ένα ακόμη σημαντικό πλεονέκτημα είναι η δυνατότητά του να διευρύνει τις μετρητικές του ικανότητες χωρίς σημαντικές αλλαγές στο υλικό του. Επειδή το σύστημα χρησιμοποιεί επαναλαμβανόμενα οπτικά μοτίβα, το φασματικό του εύρος μπορεί θεωρητικά να επεκταθεί σχεδόν χωρίς όριο. Η προσθήκη περισσότερων οπτικών εξαρτημάτων σε σειρά μπορεί επίσης να αυξήσει εκθετικά τη διακριτική του ικανότητα.
Ένας αισθητήρας αξίας 10 δολαρίων που θα μπορούσε να μεταμορφώσει τον έλεγχο τροφίμων και την υγειονομική περίθαλψη
Για να αξιολογήσουν τη συσκευή πέρα από τις καθαρά θεωρητικές μετρήσεις, οι ερευνητές τη δοκίμασαν σε μια ποικιλία υλικών και ουσιών. Τα αποτελέσματα κατέδειξαν τις δυνατότητές της για εφαρμογές που συνήθως βασίζονται σε μεγαλύτερα και ακριβότερα εργαστηριακά όργανα.
Όταν χρησιμοποιήθηκε για την αναγνώριση πλαστικών, φαρμακευτικών προϊόντων, καφέ, αλευριού και τσαγιού, το φασματόμετρο πέτυχε ποσοστό επιτυχίας 100% στην ταξινόμηση στις αναφερόμενες δοκιμές. Μέτρησε επίσης συγκεντρώσεις σε υδατικά και οργανικά διαλύματα με ακρίβεια περίπου 0,01%, ξεπερνώντας τις επιδόσεις εμπορικών επιτραπέζιων φασματομέτρων σε αυτά τα πειράματα.
Οι δοκιμές στον τομέα της υγειονομικής περίθαλψης ήταν ιδιαίτερα ενθαρρυντικές. Υπό συνθήκες σχεδιασμένες ώστε να αντανακλούν πραγματικά φυσιολογικά περιβάλλοντα, η συσκευή μέτρησε με ακρίβεια αρκετούς βιοδείκτες του ανθρώπινου οργανισμού, συμπεριλαμβανομένης της υγρασίας του δέρματος, της αλκοόλης στο αίμα, του γαλακτικού οξέος στο αίμα και της γλυκόζης στο αίμα.
Οι ερευνητές έδειξαν επίσης ότι είναι δυνατή η μη επεμβατική παρακολούθηση της γλυκόζης για παρατεταμένο χρονικό διάστημα σε έναν συμμετέχοντα. Αν και θα απαιτούνταν περαιτέρω δοκιμές προτού η τεχνολογία καταστεί ένα πρακτικό ιατρικό προϊόν, το εύρημα υποδεικνύει μια πιθανή οδό για την παρακολούθηση του σακχάρου στο αίμα χωρίς επανειλημμένα τρυπήματα του δέρματος.
«Αυτές οι βιοϊατρικές επιδείξεις είναι ιδιαίτερα συναρπαστικές», δήλωσε ο καθηγητής Qixiang Cheng, ο οποίος ηγήθηκε του έργου. «Αυτό που ξεχωρίζει σε αυτή την εργασία δεν είναι μόνο οι επιδόσεις στο εργαστήριο, αλλά και η τεχνολογική ετοιμότητα. Η συμβολή του δρος Chunhui Yao ήταν καθοριστική για τη μετατροπή μιας μαθηματικής έννοιας σε ένα πλήρως ολοκληρωμένο και ανθεκτικό σύστημα, το οποίο λειτουργεί αξιόπιστα σε ακραίες θερμοκρασίες και σε πραγματικές συνθήκες. Αυτός ο συνδυασμός είναι που ανοίγει τον δρόμο για πρακτική εφαρμογή».
Ο αισθητήρας επέδειξε επίσης εντυπωσιακή αντοχή στις μεταβολές της θερμοκρασίας. Συνέχισε να λειτουργεί αξιόπιστα σε θερμοκρασίες μεταξύ -20°C και 80°C, ένα ασυνήθιστα ευρύ θερμοκρασιακό εύρος για ένα μικροσκοπικό φασματόμετρο. Αυτή η ανθεκτικότητα θα μπορούσε να αποδειχθεί ιδιαίτερα πολύτιμη για φορετές συσκευές, εργοστασιακό εξοπλισμό και αισθητήρες που λειτουργούν σε εξωτερικούς χώρους.
Γιατί ένας απλούστερος σχεδιασμός θα μπορούσε να αποτελέσει σημαντική ανακάλυψη
Τα πλεονεκτήματα του νέου φασματομέτρου εκτείνονται πέρα από την ακρίβεια, το μέγεθος και την τιμή του. Ο εσωτερικός σχεδιασμός του μειώνει επίσης την υπολογιστική ισχύ που απαιτείται για την ανάλυση του εισερχόμενου φωτός.
Πολλά από τα υπάρχοντα μικροσκοπικά φασματόμετρα βασίζονται σε περίπλοκες διαδικασίες βαθμονόμησης και απαιτητικούς αλγορίθμους για την ανακατασκευή των φασματικών πληροφοριών. Αυτές οι μέθοδοι μπορεί να καταστούν αναξιόπιστες όταν οι μετρήσεις περιέχουν θόρυβο και συχνά απαιτούν σημαντικούς υπολογιστικούς πόρους.
Η προσέγγιση της ομάδας του Cambridge, η οποία βασίζεται στη συνέλιξη, αποφεύγει μεγάλο μέρος αυτής της πολυπλοκότητας. Επειδή οι μετρήσεις ακολουθούν μια γραμμική μαθηματική σχέση, το σύστημα μπορεί να ανακτά τα φάσματα γρήγορα και με συνέπεια, χρησιμοποιώντας σχετικά μικρή υπολογιστική ισχύ.
«Αυτό αποτελεί ένα εξαιρετικό παράδειγμα του πώς η κομψή μηχανική μπορεί να επιφέρει πραγματικό αντίκτυπο», δήλωσε ο καθηγητής Richard Penty, ο οποίος συνέβαλε στον σχεδιασμό και την ολοκλήρωση του φωτονικού συστήματος. «Η αρχιτεκτονική είναι απλή, επεκτάσιμη και κατάλληλη για μαζική παραγωγή, ωστόσο προσφέρει ακρίβεια που ανταγωνίζεται ή ξεπερνά εκείνη πολύ μεγαλύτερων οργάνων. Ο δρ Chunhui Yao διαδραμάτισε κεντρικό ρόλο στον συνδυασμό του φωτονικού σχεδιασμού, της ολοκλήρωσης του συστήματος και της πειραματικής επικύρωσης που κατέστησαν δυνατή αυτή την εξέλιξη».
Η σχετικά απλή κατασκευή του θα μπορούσε επίσης να διευκολύνει τη μαζική παραγωγή της τεχνολογίας, φέρνοντας ενδεχομένως εξελιγμένες οπτικές μετρήσεις σε συσκευές στις οποίες τα συμβατικά φασματόμετρα θα ήταν υπερβολικά ογκώδη ή ακριβά.
Φέρνοντας μετρήσεις εργαστηριακού επιπέδου στις καθημερινές συσκευές
Οι ερευνητές οραματίζονται ένα μέλλον στο οποίο η ακριβής οπτική ανίχνευση θα αποτελεί συνηθισμένο χαρακτηριστικό της καθημερινής τεχνολογίας και όχι κάτι που περιορίζεται κυρίως σε εξειδικευμένα εργαστήρια.
Σε βιομηχανικά περιβάλλοντα, φθηνά φασματόμετρα θα μπορούσαν να εγκατασταθούν σε ολόκληρες εγκαταστάσεις παραγωγής, ώστε να ελέγχουν συνεχώς τη σύσταση των υλικών και την ποιότητα των προϊόντων. Παρόμοιοι αισθητήρες θα μπορούσαν να παρακολουθούν τη φρεσκάδα των τροφίμων, να αναγνωρίζουν ουσίες και να αναλύουν τις περιβαλλοντικές συνθήκες σε πολύ μεγαλύτερη κλίμακα από ό,τι είναι σήμερα πρακτικά εφικτό.
Η υγειονομική περίθαλψη θα μπορούσε να γνωρίσει εξίσου σημαντικές αλλαγές. Οι συμπαγείς αισθητήρες ενδέχεται τελικά να επιτρέψουν στις φορετές συσκευές να μετρούν τα επίπεδα ενυδάτωσης, να ανιχνεύουν ενδείξεις μέθης από αλκοόλ, να παρακολουθούν βιοδείκτες που σχετίζονται με τη φυσική κατάσταση ή να παρακολουθούν συνεχώς τα επίπεδα γλυκόζης σε άτομα που διαχειρίζονται τον διαβήτη.
«Το όραμά μας είναι να καταστήσουμε τη φασματομετρία τόσο διαδεδομένη όσο η ανίχνευση θερμοκρασίας ή κίνησης», πρόσθεσε ο καθηγητής Qixiang Cheng. «Αυτή η εργασία δείχνει ότι οι πληροφορίες φάσματος υψηλής ποιότητας δεν χρειάζεται να περιορίζονται στο εργαστήριο - μπορούν να ενσωματωθούν απευθείας στις τεχνολογίες που χρησιμοποιούν οι άνθρωποι καθημερινά».
Καθώς η φωτονική τεχνολογία γίνεται μικρότερη και πιο προηγμένη, το συνελικτικό φασματόμετρο αποτελεί ένα πολλά υποσχόμενο παράδειγμα του τρόπου με τον οποίο οι μαθηματικές ανακαλύψεις και η πρακτική μηχανική μπορούν να καταστήσουν τα εξελιγμένα επιστημονικά όργανα απλούστερα, φθηνότερα και πιο προσιτά. Συνδυάζοντας την υψηλή ακρίβεια με μια συσκευή που κοστίζει περίπου 10 δολάρια, οι ερευνητές άνοιξαν έναν πιθανό δρόμο προς μια νέα γενιά έξυπνων αισθητήρων, ικανών να μετρούν τη μη ορατή χημική σύσταση του σώματός μας και του περιβάλλοντός μας.
www.worldenergynews.gr
