Científicos de Cambridge desarrollan un chip de $10 que podría revolucionar los análisis médicos

Un nuevo sensor óptico que cuesta solo $10 podría llevar la precisión de laboratorio a los monitores de salud portátiles, permitiendo potencialmente que las personas controlen su glucosa sin necesidad de agujas. Esta tecnología también podría transformar el análisis de alimentos, el control de calidad industrial y la monitorización ambiental.

Investigadores de la Universidad de Cambridge y de GlitterinTech, una start-up creada por el mismo grupo de investigación, desarrollaron un nuevo tipo de espectrómetro óptico que combina una excepcional precisión con un tamaño y costo notablemente bajos. Con dimensiones de solo unos centímetros, el dispositivo podría integrarse en dispositivos electrónicos portátiles y tecnología de salud wearable. Sus aplicaciones potenciales abarcan desde el monitoreo de marcadores de salud importantes en tiempo real hasta la identificación de materiales y la detección de cambios en la composición química.

Los espectrómetros ópticos funcionan analizando la luz para revelar información sobre las sustancias con las que interactúan. Son herramientas esenciales en medicina, fabricación, pruebas químicas e investigación ambiental. Sin embargo, miniaturizar estos instrumentos ha significado tradicionalmente comprometer su rendimiento. Los espectrómetros compactos a menudo tienen rangos de medición limitados, resolución reducida o menor precisión, lo que los hace más adecuados para identificar sustancias que para realizar mediciones precisas.

Los investigadores creen que su nuevo diseño podría superar estas limitaciones. Conocido como espectrómetro convolucional, utiliza un principio matemático llamado teorema de convolución para analizar la luz de una manera fundamentalmente diferente. Según el equipo, este enfoque ofrece un rendimiento que supera a los tipos existentes de espectrómetros en varias áreas clave, incluyendo los diseños basados en dispersión de luz, transformadas de Fourier y reconstrucción computacional.

Un nuevo enfoque para analizar la luz con precisión extraordinaria

Los espectrómetros tradicionales generalmente separan la luz entrante en sus longitudes de onda componentes o utilizan cálculos complejos para reconstruir su espectro. El nuevo dispositivo adopta un enfoque diferente al realizar una operación matemática llamada convolución directamente sobre la luz entrante.

Para lograr esto, los investigadores organizaron componentes ópticos con respuestas espectrales repetidas en una secuencia. Estos componentes pueden incluir interferómetros de Mach-Zehnder desbalanceados o resonadores de microanillo. Ajustándolos en proporción unos a otros, el sistema puede desplazar su respuesta a diferentes longitudes de onda de manera controlada y lineal. Luego, se utilizan transformadas rápidas de Fourier para recuperar con precisión el espectro de luz.

"La clave fue volver a las matemáticas y preguntarse si había una forma fundamentalmente más limpia de recuperar espectros", dijo Dr. Chunhui Yao, uno de los autores principales del estudio. "Al utilizar el teorema de convolución directamente en el dominio óptico, evitamos muchas de las limitaciones que han frenado a los espectrómetros miniaturizados. Esto nos brinda alta precisión, fuerte tolerancia al ruido y un bajo consumo computacional, todo en un sistema compacto y de bajo costo."

Los investigadores construyeron el espectrómetro utilizando una plataforma fotónica de nitruro de silicio e integraron electrónica a bordo. Opera en un amplio rango de longitudes de onda del infrarrojo cercano (1200-1700 nm) y puede recolectar y procesar mediciones en menos de un segundo.

Otra ventaja importante es su capacidad para expandir sus capacidades de medición sin cambios importantes en el hardware. Debido a que el sistema utiliza patrones ópticos repetidos, su ancho espectral puede teóricamente extenderse casi sin límites. Agregar más componentes ópticos en secuencia también puede aumentar su resolución exponencialmente.

Un sensor de $10 que podría transformar el análisis de alimentos y la atención médica

Para evaluar el dispositivo más allá de las mediciones puramente teóricas, los investigadores lo probaron en una variedad de materiales y sustancias. Los resultados demostraron su potencial para aplicaciones que normalmente dependen de instrumentos de laboratorio más grandes y costosos.

Al usarse para identificar plásticos, productos farmacéuticos, café, harina y té, el espectrómetro logró una tasa de éxito de clasificación del 100% en las pruebas reportadas. También midió concentraciones en soluciones acuosas y orgánicas con una precisión de aproximadamente 0.01%, superando el rendimiento de los espectrómetros comerciales de banco en esos experimentos.

Las demostraciones en salud fueron particularmente prometedoras. En condiciones diseñadas para reflejar entornos fisiológicos reales, el dispositivo midió con precisión varios biomarcadores humanos, incluyendo humedad de la piel, alcohol en sangre, lactato en sangre y glucosa en sangre.

Los investigadores también demostraron el seguimiento no invasivo de glucosa durante un período prolongado en un participante. Aunque se necesitarían más pruebas antes de que la tecnología pudiera convertirse en un producto médico práctico, el hallazgo sugiere una posible ruta hacia el monitoreo de azúcar en sangre sin perforar repetidamente la piel.

"Estas demostraciones biomédicas son particularmente emocionantes", dijo Prof. Qixiang Cheng, quien lideró el proyecto. "Lo que hace que este trabajo se destaque no es solo el rendimiento en el laboratorio, sino la preparación técnica. La contribución del Dr. Chunhui Yao fue crucial para traducir un concepto matemático en un sistema robusto y completamente empaquetado que opera de manera confiable en condiciones extremas de temperatura y del mundo real. Esa combinación es lo que abre la puerta a un despliegue práctico."

El sensor también demostró una impresionante resistencia a los cambios de temperatura. Continuó operando de manera confiable entre -20°C y 80°C, un rango de temperatura inusualmente amplio para un espectrómetro miniatura. Esta durabilidad podría ser especialmente valiosa para dispositivos portátiles, equipos de fábrica y sensores que operan al aire libre.

Por qué un diseño más simple podría ser un gran avance

Las ventajas del nuevo espectrómetro van más allá de su precisión, tamaño y precio. Su diseño interno también reduce la cantidad de potencia computacional necesaria para analizar la luz entrante.

Muchos espectrómetros miniatura existentes dependen de procedimientos de calibración complicados y algoritmos exigentes para reconstruir la información espectral. Estos métodos pueden volverse poco confiables cuando las mediciones contienen ruido y a menudo requieren recursos de procesamiento sustanciales.

El enfoque basado en convolución del equipo de Cambdrige evita gran parte de esta complejidad. Debido a que las mediciones siguen una relación matemática lineal, el sistema puede recuperar espectros de manera rápida y consistente mientras utiliza relativamente poca potencia computacional.

"Este es un hermoso ejemplo de cómo la ingeniería elegante puede desbloquear un impacto real", dijo Prof. Richard Penty, quien contribuyó al diseño y la integración del sistema fotónico. "La arquitectura es simple, escalable y manufacturable, pero ofrece una precisión que rivaliza o supera a instrumentos mucho más grandes. El Dr. Chunhui Yao desempeñó un papel central en la integración del diseño fotónico, la integración del sistema y la validación experimental que hizo esto posible."

Su construcción relativamente simple también podría facilitar la fabricación de la tecnología a gran escala, lo que potencialmente llevaría mediciones ópticas sofisticadas a dispositivos donde los espectrómetros convencionales serían demasiado voluminosos o costosos.

Trayendo mediciones de laboratorio a dispositivos cotidianos

Los investigadores imaginan un futuro en el que la detección óptica precisa se convierta en una característica rutinaria de la tecnología cotidiana, en lugar de algo en gran medida confinado a laboratorios especializados.

En entornos industriales, espectrómetros económicos podrían instalarse en toda la fábrica para verificar continuamente la composición de materiales y la calidad de productos. Sensores similares podrían monitorear la frescura de los alimentos, identificar sustancias y analizar condiciones ambientales a una escala mucho mayor de lo que es actualmente práctico.

La atención médica podría experimentar cambios igualmente significativos. Sensores compactos podrían eventualmente permitir que dispositivos portátiles midan niveles de hidratación, detecten signos de intoxicación por alcohol, rastreen biomarcadores relacionados con la condición física o monitoreen continuamente los niveles de glucosa para personas que manejan diabetes.

"Nuestra visión es hacer que la espectrometría sea tan ubicua como la detección de temperatura o movimiento", agregó el Prof. Qixiang Cheng. "Este trabajo muestra que la información espectral de alta calidad no tiene que estar confinada al laboratorio; puede integrarse directamente en las tecnologías que las personas utilizan todos los días."

A medida que la tecnología fotónica se vuelve más pequeña y avanzada, el espectrómetro convolucional proporciona un ejemplo prometedor de cómo los conocimientos matemáticos y la ingeniería práctica pueden hacer que instrumentos científicos sofisticados sean más simples, baratos y accesibles. Al combinar alta precisión con un dispositivo que cuesta alrededor de $10, los investigadores han abierto un camino potencial hacia una nueva generación de sensores inteligentes capaces de medir la química oculta de nuestros cuerpos y entornos.

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