Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ και τη startup GlitterinTech παρουσίασαν έναν ριζικά νέο τύπο οπτικού φασματομέτρου, ο οποίος προσφέρει ακρίβεια εργαστηριακού επιπέδου σε μια συσκευή αρκετά μικρή ώστε να ενσωματώνεται σε φορητές και wearable τεχνολογίες.
Η ομάδα ανέπτυξε ένα φασματόμετρο με κόστος μόλις 10 δολάρια, το οποίο λειτουργεί σε κλίμακα εκατοστού και μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τον βιομηχανικό ποιοτικό έλεγχο μέχρι την παρακολούθηση της υγείας σε πραγματικό χρόνο.
Μέχρι σήμερα, η σμίκρυνση των οπτικών φασματομέτρων συνοδευόταν από σημαντικούς συμβιβασμούς, καθώς οι μικροσκοπικές συσκευές θυσίαζαν το εύρος ζώνης, την ανάλυση ή την ακρίβεια. Το νέο «συνελικτικό φασματόμετρο» (convolutional spectrometer) ξεπερνά αυτά τα εμπόδια εισάγοντας μια κομψή λειτουργική αρχή που βασίζεται στο θεώρημα της συνέλιξης (convolution theorem), προσφέροντας πρωτοφανείς επιδόσεις σε σύγκριση με τα υπάρχοντα φασματόμετρα.
Μια νέα κατηγορία φασματομέτρου
Αντίθετα με τα συμβατικά συστήματα που βασίζονται στη διασπορά του φωτός ή σε αλγοριθμική ανακατασκευή για την ανάκτηση των φασμάτων, το συνελικτικό φασματόμετρο εκτελεί φυσικά μια πράξη συνέλιξης στο εισερχόμενο φως. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω μιας απλής διάταξης οπτικών στοιχείων με περιοδική φασματική απόκριση, όπως τα συμβολόμετρα Mach-Zehnder ή οι συντονιστές μικροδακτυλίου (micro-ring resonators).
Συντονίζοντας αναλογικά αυτά τα εξαρτήματα, το σύστημα μετατοπίζει γραμμικά τη φασματική του απόκριση, επιτρέποντας την ακριβή ανάκτηση του φάσματος με τη χρήση ταχέων μετασχηματισμών Fourier (FFT). Η λύση αυτή, η οποία υλοποιήθηκε σε μια πλατφόρμα φωτονικής ολοκλήρωσης νιτριδίου του πυριτίου (silicon nitride), λειτουργεί σε ένα εξαιρετικά ευρύ φάσμα εγγύς υπερύθρου (1.200-1.700 nm), με χρόνους δειγματοληψίας και επεξεργασίας μικρότερους του δευτερολέπτου.
Η περιοδική του φύση επιτρέπει σχεδόν απεριόριστη επέκταση του εύρους ζώνης χωρίς αλλαγή του υλικού, ενώ η ανάλυση μπορεί να κλιμακωθεί εκθετικά με την προσθήκη επιπλέον εξαρτημάτων.
Από την ανάλυση υλικών έως την ιατρική παρακολούθηση
Η ομάδα απέδειξε την αποτελεσματικότητα της συσκευής σε ένα εντυπωσιακό εύρος εφαρμογών. Στην ανάλυση υλικών και τροφίμων, το τσιπ ταξινόμησε πλαστικά, φαρμακευτικά προϊόντα, καφέ, αλεύρι και τσάι με ποσοστό επιτυχίας 100%. Επίσης, προσδιορίστηκε η συγκέντρωση σε υδατικά και οργανικά διαλύματα με ακρίβεια της τάξης του 0,01%, ξεπερνώντας σε επιδόσεις τα εμπορικά φασματόμετρα πάγκου.
Το πιο εντυπωσιακό στοιχείο, ωστόσο, είναι ότι το σύστημα επέτρεψε τη μη επεμβατική ανίχνευση ανθρώπινων βιοδεικτών σε πραγματικές συνθήκες. Οι μετρήσεις για την υγρασία του δέρματος, το αλκοόλ στο αίμα, το γαλακτικό οξύ και τη γλυκόζη έδειξαν εξαιρετικά υψηλή ακρίβεια, με την παρακολούθηση της γλυκόζης να δοκιμάζεται επιτυχώς για εκτεταμένες περιόδους.
Απλή μηχανική με ουσιαστικό αντίκτυπο
Εκτός από τις υψηλές επιδόσεις, το φασματόμετρο ξεχωρίζει για τη δομική και υπολογιστική του απλότητα. Τα υπάρχοντα μικροσκοπικά φασματόμετρα υψηλής απόδοσης βασίζονται συχνά σε περίπλοκες διαδικασίες βαθμονόμησης και υπολογιστικά απαιτητικούς αλγορίθμους ανακατασκευής που είναι ευαίσθητοι στον θόρυβο. Αντίθετα, η γραμμική φύση της συνέλιξης επιτρέπει τη γρήγορη και σταθερή ανάκτηση του φάσματος με ελάχιστη επεξεργαστική ισχύ.
Επιπλέον, η συσκευή παρέμεινε σταθερή σε θερμοκρασίες που κυμαίνονται από -20 °C έως 80 °C, μια ανθεκτικότητα που σπάνια επιτυγχάνεται σε τέτοιου είδους συστήματα και η οποία είναι απαραίτητη για τη χρήση τους σε wearables, βιομηχανικά περιβάλλοντα ή εξωτερικούς χώρους.
Η απλή, κλιμακώσιμη και βιομηχανικά κατασκευάσιμη αρχιτεκτονική του ανοίγει τον δρόμο για την ενσωμάτωση της φασματοσκοπίας σε συσκευές καθημερινής χρήσης, καθιστώντας την εξίσου δεδομένη με τους αισθητήρες θερμοκρασίας ή κίνησης.
