Bu 10 dolarlık spektrometre çipi neden giyilebilir cihazlara gerçek zamanlı kimyasal algılama getirebilir?

Cambridge Üniversitesi’nden araştırmacılar ve aynı araştırma grubu tarafından kurulan bir girişim olan GlitterinTech, taşınabilir ve giyilebilir teknolojilere yerleştirilebilecek kadar küçük bir cihazda laboratuvar düzeyinde hassasiyet sağlayan temelde yeni bir tür optik spektrometreyi tanıttı. Ekip, spektrumların nasıl ölçüldüğünü ve işlendiğini yeniden düşünerek, maliyeti yalnızca 10 dolar civarında olan, santimetre ölçeğinde çalışan ve endüstriyel kalite kontrolünden gerçek zamanlı sağlık bakımı izlemeye kadar çeşitli uygulamaları gerçekleştirebilen bir spektrometre ortaya çıkardı.

Optik spektrometreler, kimyasal analiz ve üretimden çevresel algılama ve tıbba kadar sayısız teknolojinin temelini oluşturur. Ancak bu enstrümanların küçültülmesi, tarihsel olarak acı veren ödünleşimleri de beraberinde getirmiştir: Minyatürleştirilmiş cihazlar tipik olarak bant genişliği, çözünürlük veya doğruluktan fedakarlık ederek onları gerçek metrolojik ölçümler yerine kaba tanımlamayla sınırlandırmaktadır. Yeni bildirilen evrişimli spektrometre, evrişim teoremine dayanan kavramsal olarak zarif bir çalışma prensibi sunarak bu engellerin üstesinden gelir ve mevcut dağıtıcı, Fourier dönüşümü ve yeniden yapılandırıcı spektrometrelerle karşılaştırıldığında benzeri görülmemiş performans ölçümleri sunar.

Yeni bir spektrometre sınıfı

Spektrumu kurtarmak için ışığı dağıtmaya veya algoritmik yeniden yapılandırmaya dayanan geleneksel spektrometrelerden farklı olarak, evrişimli spektrometre, gelen ışık üzerinde fiziksel olarak bir evrişim işlemi gerçekleştirir. Bu, dengesiz Mach-Zehnder interferometreleri veya mikro halka rezonatörleri gibi periyodik spektral yanıtlara sahip basit bir optik bileşenler dizisi kullanılarak elde edilir. Bu bileşenleri orantılı olarak ayarlayarak sistem, spektral tepkisini doğrusal olarak kaydırır ve hızlı Fourier dönüşümlerini kullanarak doğru spektrum kurtarmayı mümkün kılar.

Çalışmanın başyazarı Dr. Chunhui Yao, “Asıl fikir matematiğe geri dönüp spektrumları geri almanın temelde daha temiz bir yolu olup olmadığını sormaktı” dedi. Doğa Fotoniği.

“Evrişim teoremini doğrudan optik alanda kullanarak, minyatürleştirilmiş spektrometreleri geride tutan sınırlamaların çoğundan kaçınıyoruz. Bu bize, kompakt ve düşük maliyetli bir sistemde yüksek hassasiyet, güçlü gürültü toleransı ve çok düşük hesaplama yükü sağlıyor.”

Silikon nitrür fotonik entegrasyon platformu üzerinde uygulanan ve yerleşik elektroniklerle paketlenmiş olan cihaz, saniyenin altında örnekleme ve işleme süreleriyle ultra geniş yakın kızılötesi aralıkta (1.200-1.700 nm) çalışıyor. En önemlisi, periyodik doğası, donanımı değiştirmeden spektral alanda neredeyse sınırsız bir bant genişliği genişlemesine izin verirken, çözünürlük de ek bileşenlerin basamaklandırılmasıyla üstel olarak ölçeklenebilir.

Malzeme analizinden giyilebilir sağlık hizmetlerine

Ekip, spektrometrenin performansını çarpıcı bir dizi gerçek dünya uygulamasında gösterdi. Cihaz, malzeme ve gıda analizlerinde plastikleri, ilaçları, kahveyi, unu ve çayı %100 başarı oranıyla sınıflandırdı. Ayrıca sulu ve organik çözeltilerdeki konsantrasyonları yaklaşık %0,01 doğrulukla ölçerek ticari tezgah üstü spektrometrelerden daha iyi performans gösterdi.

Belki de en çarpıcı olanı, sistemin gerçekçi fizyolojik koşullar altında insan biyobelirteçlerinin invaziv olmayan şekilde algılanmasını sağlamasıydı. Cilt nemi, kan alkolü, kan laktatı ve kan şekeri ölçümlerinin tümü yüksek doğruluk gösterdi; tek bir katılımcıda uzun süreler boyunca glikoz takibi gösterildi.

Projeyi yöneten Profesör Qixiang Cheng, “Bu biyomedikal gösteriler özellikle heyecan verici” dedi.

“Bu çalışmayı öne çıkaran şey sadece laboratuvardaki performans değil, aynı zamanda teknik hazırlıktır. Dr. Chunhui Yao’nun katkısı, matematiksel bir konseptin aşırı sıcaklıklar ve gerçek dünya koşullarında güvenilir bir şekilde çalışan, tamamen paketlenmiş, sağlam bir sisteme dönüştürülmesinde çok önemliydi. Bu kombinasyon, pratik kullanıma kapıyı açan şeydir.”

Cihaz, eksi 20 C ila 80 C arasındaki sıcaklıklarda stabil kaldı; bu, minyatürleştirilmiş spektrometrelerde nadiren elde edilen ve giyilebilir, endüstriyel veya dış mekan ortamlarında kullanım için gerekli olan bir sağlamlık düzeyidir.

Gerçek etkiye sahip mühendislik basitliği

Performansa ek olarak, evrişimsel spektrometre yapısal ve hesaplama kolaylığıyla da öne çıkıyor. Mevcut yüksek performanslı minyatür spektrometreler genellikle karmaşık kalibrasyon rutinlerine ve gürültüye duyarlı, hesaplama açısından yoğun yeniden yapılandırma algoritmalarına dayanır. Buna karşılık, evrişimin doğrusal doğası, minimum işlem gücüyle hızlı, kararlı spektrum kurtarmaya olanak tanır.

Fotonik sistem tasarımına ve entegrasyonuna katkıda bulunan Profesör Richard Penty, “Bu, zarif mühendisliğin gerçek etkiyi nasıl ortaya çıkarabileceğinin güzel bir örneğidir” dedi.

“Mimari basit, ölçeklenebilir ve üretilebilir, ancak çok daha büyük cihazlara rakip olabilecek veya onları aşan bir hassasiyet sunuyor. Dr. Chunhui Yao, bunu mümkün kılan fotonik tasarımı, sistem entegrasyonunu ve deneysel doğrulamayı bir araya getirmede merkezi bir rol oynadı.”

Gelecekteki yenilikleri mümkün kılmak

Araştırmacılar, yeni bir spektrometre sınıfı tanımlayarak çalışmalarının gömülü spektroskopi için bir dönüm noktası olduğuna inanıyorlar. Düşük maliyetli, yüksek hassasiyetli cihazlar, üretim hatları genelinde akıllı sensörlere, gerçek zamanlı gıda kalitesinin izlenmesine ve çevre analizine benzeri görülmemiş bir ölçekte olanak sağlayabilir. Sağlık hizmetlerinde, uygulamalar sıvı alımı değerlendirmesi ve zehirlenme uyarılarından diyabet yönetimi için kondisyon takibi ve sürekli glikoz takibine kadar uzanmaktadır.

Profesör Cheng, “Vizyonumuz, spektrometriyi sıcaklık veya hareket algılama kadar her yerde yaygın hale getirmektir” diye ekledi. “Bu çalışma, yüksek kaliteli spektral bilginin laboratuvarla sınırlı olmak zorunda olmadığını, insanların her gün kullandığı teknolojilere doğrudan yerleştirilebileceğini gösteriyor.”

Minyatürleştirilmiş fotonik olgunlaşmaya devam ettikçe, evrişimli spektrometre, temel matematik, düşünceli mühendislik ve pratik sistem tasarımının bir sonraki algılama inovasyonu dalgasını yönlendirmek için nasıl bir araya gelebileceğine dair ilgi çekici bir plan sunuyor.