Spectrometrie la purtător

Tendinte (de , November 27, 2017)

În ultimul timp am fost martori la răspândirea senzorilor de monitorizare a bătăilor inimii, integraţi într-o serie de dispozitive wearable (smartwatches, fitness-trackers). (La dezvoltarea uneia dintre aceste familii de senzori a participat şi fizicianul român Cristian Presură, la Philips Research.) Însă perechea LED-senzor proiectată pentru monitorizare cardiacă lucrează într-un domeniu restrâns al spectrului de lumină. Iată că anul 2017 aduce pe piaţă primele soluţii mobile lucrând, auto-definitoriu, într-un domeniu mai larg al spectrului electromagnetic.

Prime materializări comerciale

La evenimentul CES (Consumer Electronics Show) 2017 din Las Vegas a fost prezentată o soluţie de spectrometrie integrabilă în smartphone: senzorul de analize moleculare SCiO, realizat de firma israeliano-americană Consumer Physics. Iar una dintre primele întrupări a fost telefonul chinezesc Changhong H2. Tot acolo a fost lansat şi cântarul electronic Terraillon Nutrismart. Iar la evenimentul asiatic echivalent CES-ului, şi anume AWE (Appliance & Electronics World Expo), au fost arătate lumii şi primele frigidere dotate cu senzor SCiO. Şi iată că, menţionând aceste ultime materializări, ne apropiem de substratul chestiunii: utilitatea.

 

 

 

 

 

Un dispozitiv mobil dotat cu senzor şi cu aplicaţie de spectrometrie ne poate folosi la o serie de chestiuni practice:

» scanarea de alimente şi de băuturi (pentru evaluarea compoziţiei sau pentru detectarea de agenţi patogeni);

» verificarea tratamentelor medicale (pentru evaluarea conformităţii substanţelor administrate, sau pentru monitorizarea răspunsului bio-chimic al organismului);

» monitorizarea anumitor parametri bio-chimici ai corpului uman (la nivel cutanat sau sub-cutanat);

» depistarea de elemente poluante în sol sau în apă;

» verificarea compoziţiei materialelor de construcţii;

» detectarea bancnotelor false, ş.a.m.d.

Oarece detalii tehnice

Deşi probabil că anii ce vin vor fi martori la mai multe tipuri de spectrometre ataşabile sau încorpate în dispozitive mobile, deocamdată vom detalia un pic senzorul SCiO: acesta include un spectrometru foarte compact lucrând în domeniul infra-roşu-apropiat (NIR), fiind capabil să măsoare lungimi de undă între 750 şi 1050 nanometri, într-un timp de 1-2 secunde şi de la o distanţă de 5–15 mm. Senzorul este completat de o sursă de lumină (corelată spectral), de câteva elemente optice, de un circuit de procesare a semnalelor (ASIC) şi de un algoritm accesat din ‘cloud’ (deci nerezident în aplicaţia de pe smartphone). Şi cum lucrează: utilizatorul îndreaptă fascicolul de lumină către obiectul vizat, iar senzorul înregistrează lumina reflectată de obiect, lumină al cărei spectru va fi afectat de compoziţia chimică a respectivului obiect; apoi software-ul interpretează abaterile spectrale şi afişează rezultatul (grafic sau valoric). Putem astfel să măsurăm conţinutul de grăsimi sau de carbohidraţi din alimente, sau să evaluăm conţinutul de apă, de cofeină sau de alcool din lichidele pe care ne pregătim să le ingerăm.

Un alt cip cu funcţie de spectrometru este NeoSpectra Micro (de la Si-Ware Systems), promiţător mai ales prin garanţia adusă de fratele său mai mare, NeoSpectra, integrat în multe spectrometre portabile folosite cu succes în agricultură, petrochimie şi medicină. Senzorul compact de la Si-Ware lucrează în domeniul 1150–2500 nm (ceea ce corespunde următorului subdomeniul de infra-roşu, short-wavelength infrared), şi a fost integrat în iPhone-ul prezentat la Photonics West (ianuarie 2017). Menţionăm aici şi familia de micro-spectrometre Hamamatsu, cu o bună notorietate mondială.

<casetã:>Din punctul de vedere al citirii semnalului optic dispersat în gama cromatică respectivă, există două arhitecturi de spectrometre (fiecare abordare având avantaje şi dezavantaje):

  • lumina dispersată este citită dintr-o dată de un tablou de detectori (senzorul are detectori de fotoni pentru mai multe porţiuni ale spectrului de lumină);
  • senzorul are un singur detector (punctual), care va citi pe rând lungimile de undă analizate (adică realizând o scannare secvenţială).

În cazul spectrometrelor miniaturale (mobile) cu detector punctual, distribuirea dinamică a luminii dispersate cromatic se realizează printr-un pachet de micro-oglinzi digitale integrate într-un MEMS.</casetã>

Spre final iterăm ceva mai accentuat aplicabilitatea în medicină şi biologie. De exemplu, multe cercetări au ca obiectiv integrarea de astfel de tehnologii opto-electronice în dispozitive purtabile (cvasi-permanent) pentru monitorizarea stări pacienţilor în fazele critice ale tratamentelor de cancer (în chimio-terapia pre-chirurgicală, de exemplu). Se pot astfel urmări în mod continuu nivelul de hemoglobină, metabolismul bio-chimic, şi răspunsul tumorii de sub piele, iar rezultatele monitorizării ajută medicii să ajusteze mult mai eficient tratamentul. (Dacă după chimio-terapie scade concetraţia de dezoxihemoglobină, atunci tumoarea răsunde la tratament.)

 

 

 

 

 

 

<fig. – Aplicaţie de spectrometrie mobilă>

Utilitatea unui spectrometru este foarte largă, astfel că viitorul acestui segment de piaţă – corelat cu perspectivele fireşti privind performanţa şi miniaturizarea componentelor electronice – nu poate fi decât optimist. Şi este doar o chestiune de timp până ce producţia de masă a acestor senzori va fi pusă la punct.

 


Tags:

Trackbacks

Leave a Trackback