ثمة مشهد شائع بصورة متزايدة في المستشفيات حول العالم: ممرضةٌ تقيس طولنا، ووزننا، وضغظ دمنا، وتُثبت مشبكًا بلاستيكيًا مضيئًا في إصبعنا. وفجأةً، تعرض شاشة رقمية معدّل الأكسجين في مجرى دَمِـنا. كيف حدث هذا؟ كيف لمشبكٍ بلاستيكي أن يعرف شيئًا عن دَمِـنا... دون عينة دم؟
It’s an increasingly common sight in hospitals around the world: a nurse measures our height, weight, blood pressure, and attaches a glowing plastic clip to our finger. Suddenly, a digital screen reads out the oxygen level in our bloodstream. How did that happen? How can a plastic clip learn something about our blood… without a blood sample?
إليكم الحيلة: إن أجسادنا نصف شفافة، مما يعني أنها لا تحجب الضوء أو تعكسه بشكل كامل. وعوضًا عن ذلك، فإنها تسمح بمرور بعض الضوء عبر جِـلدنا، وعضلاتنا وأوعيتنا الدموية. ألا تصدق ذلك؟ وجِّه مصباحًا يدويًا على إبهامـك.
Here’s the trick: our bodies are translucent, meaning they don’t completely block and reflect light. Rather, they allow some light to actually pass through our skin, muscles, and blood vessels. Don’t believe it? Hold a flashlight to your thumb.
يتضح أن الضوء يمكنه أن يساعد في فحص أجسادنا من الداخل.
Light, it turns out, can help probe the insides of our bodies.
خذ بعين الاعتبار مشبك الإصبع الطبي... وهو يُدعى مقياس التأكسد النبضي. حين تأخذ شهيقًا تُحوّل رئتاك الأكسجين إلى جزيئات هيموجلوبين، ويقوم مقياس التأكسد النبضي بحساب نسبة الهيموجلوبين المؤكسد إلى غير المؤكسد. يقوم بذلك عن طريق استخدام مصباح LED أحمر صغير على أحد جوانب مشبك الإصبع، ومكشاف ضوئي صغير علي الجانب الآخر.
Consider that medical fingerclip— it’s called a pulse oximeter. When you inhale, your lungs transfer oxygen into hemoglobin molecules, and the pulse oximeter measures the ratio of oxygenated to oxygen-free hemoglobin. It does this by using a tiny red LED light on one side of the fingerclip, and a small light detector on the other.
حين يضيء مصباح LED في إصبعك، تمتص جزيئات الهيموجلوبين غير المؤكسدة في أوعيتك الدموية الأشعة الحمراء على نحوٍ أقوى من نظيرتها المؤكسدة. لذا فإن كمية الضوء التي تتمكن من العبور للطرف الآخر، تعتمد على نسبة التركيز لنوعي الهيموجلوبين.
When the LED shines into your finger, oxygen-free hemoglobin in your blood vessels absorbs the red light more strongly than its oxygenated counterpart. So the amount of light that makes it out the other side depends on the concentration ratio of the two types of hemoglobin.
لكن لا يحمل مريضان أوعية دموية متشابهة الحجم في إصبعهما. بالنسبة لأحد المرضى، فإن قراءة تشبّع الأكسجين بنسبة 95% تشير إلى معدل صحي من الأكسجين، لكن بالنسبة لمريضٍ آخر ذي شرايينَ أصغر، قد تعطي القراءة نفسها صورة خاطئة على نحوٍ خطير لمعدل الأكسجين الفعلي.
But any two patients will have different-sized blood vessels in their fingers. For one patient, a saturation reading of ninety-five percent corresponds to a healthy oxygen level, but for another with smaller arteries, the same reading could dangerously misrepresent the actual oxygen level.
يمكن أن نعالج هذا باستخدام مصباح LED ثانٍ ذي موجة تحت حمراء. ينتقل الضوء في طيف واسع من الأطوال الموجية وتنثني الأشعة تحت الحمراء خلف الألوان المرئية مباشرةً. كل الجزيئات، بما فيها اليهموجلوبين، تمتص الضوء بكفاءات مختلفة في الطيف. لذا فإن تعارض امتصاص الأشعة الحمراء والأشعة تحت الحمراء يوفر بصمة إصبع كيميائية تلغي تأثير حجم الوعاء الدموي.
This can be accounted for with a second infrared wavelength LED. Light comes in a vast spectrum of wavelengths, and infrared light lies just beyond the visible colors. All molecules, including hemoglobin, absorb light at different efficiencies across this spectrum. So contrasting the absorbance of red to infrared light provides a chemical fingerprint to eliminate the blood vessel size effect.
اليوم، تستكشف صناعة أجهزة الاستشعار الطبيّة الناشئة مستويات جديدة من البصمات الكيميائية الدقيقة مستعينةً بأجهزةٍ دقيقة للمعالجة بالضوء لا يزيد حجمها عن عُشرِ المليمتر. هذه التكنولوجيا المجهرية، المسماة الضوئيات المتكاملة، تُصنع من أسلاك من السيليكون تُوجِّه الضوء... مثل المياه داخل أنبوب... لإعادة توجيهه وإعادة تشكيله وحتى حبسه مؤقتًا.
Today, an emerging medical sensor industry is exploring all-new degrees of precision chemical fingerprinting, using tiny light-manipulating devices no larger than a tenth of a millimeter. This microscopic technology, called integrated photonics, is made from wires of silicon that guide light— like water in a pipe— to redirect, reshape, even temporarily trap it.
ثمة جهاز رنّان دوّار، وهو عبارة عن سلك دائري من السليكون، هو صائدٌ للضوء على نحوٍ يُحسّن البصمة الكيميائية. حين يُوضع قريبًا من سلك من السيليكون، تشفط الحلقةُ موجاتِ الضوء وتَحتفـظ بها مؤقتًا... تلك الموجات التي لها طول موجيّ يلائم كامل عدد المرات على طول محيط الحلقة. إنه ذات التأثير الحادث لدى مداعبة أوتار الجيتار. إن اهتزاز أنماط معينة تهيمن على وتر من نطاق معين، لإعطاء نوتة أساسية ونغماتها.
A ring resonator device, which is a circular wire of silicon, is a light trapper that enhances chemical fingerprinting. When placed close to a silicon wire, a ring siphons off and temporarily stores only certain waves of light— those whose periodic wavelength fits a whole number of times along the ring’s circumference. It’s the same effect at work when we pluck guitar strings. Only certain vibrating patterns dominate a string of a particular length, to give a fundamental note and its overtones.
إن الحلقة الرنانة صُممت أساسًا لتحريك موجات الضوء بكفاءة... كل قناة من البيانات الرقمية... في شبكات اتصال من الألياف الضوئية. لكن يوما ما، فإن هذا النوع من توجيه حركة البيانات ربما يجري ضبطه من قِبل مجسّات دقيقة للبصمة الكيميائية، على هيئة شرائح في حجم عملة معدنية. إن بمقدور "المجسّات الدقيقة" هذه، بسهولة وبسرعة، أن تكتشف حزمة من الأمراض، من خلال تحليل اللعاب أو العرَق البشريّ في عيادة الطبيب أو في مكان ملائم في بُـيُوتـنـا.
Ring resonators were originally designed to efficiently route different wavelengths of light— each a channel of digital data— in fiber optics communication networks. But some day this kind of data traffic routing may be adapted for miniature chemical fingerprinting labs, on chips the size of a penny. These future labs-on-a-chip may easily, rapidly, and non-invasively detect a host of illnesses, by analyzing human saliva or sweat in a doctor’s office or the convenience of our homes.
إن لعاب الإنسان على وجهٍ خاصٍ يعكس تركيبة بروتينات وهرمونات أجسادنا، وبمقدوره إصدار إنذار مبكّر عن إصابات سرطانية مؤكَـدة والأمراض المُعدية، وأمراض المناعة المكتسبة. من أجل أن تُحَـدد بدِقة ثمة مرضًا، فإن "المجسّات الدقيقة" تعتمد على طرائق شتى، بما في ذلك البصمة الكيميائية، لحصر المرض من خليط هائل من أثر العناصر المختلفة في عينة واحدة من اللعاب.
Human saliva in particular mirrors the composition of our bodies’ proteins and hormones, and can give early-warning signals for certain cancers and infectious and autoimmune diseases. To accurately identify an illness, labs-on-a-chip may rely on several methods, including chemical fingerprinting, to sift through the large mix of trace substances in a sample of spit.
إن مختلف الجزيئات الحيوية في اللعاب تمتص الضوء عند ذات الطول الموجي... ولكن لكل منها بصمة كيميائية مميزة. في "المجسّات الدقيقة"، وبعد أن يمرُّ الضوءُ في عينة اللُعاب، فإن حزمة من الحلقات المصقولة تشفط كلٌ منها طولًا موجيًا مختلفًا من الضوء وترسله إلى مكشاف ضوئي قرين. سويًا، سيُعالِـج هذا الكم من المُكشافات البصمة الكيميائية التراكمية من العينة. من هذه المعلومات، فإن شريحة حاسوبية دقيقة، تحوي مصفوفة من البصمات الكيميائية لجزيئيات مختلفة، بمقدورها حساب تركيزاتها النسبية، وتساعد في تشخيص مرض معين.
Various biomolecules in saliva absorb light at the same wavelength— but each has a distinct chemical fingerprint. In a lab-on-a-chip, after the light passes through a saliva sample, a host of fine-tuned rings may each siphon off a slightly different wavelength of light and send it to a partner light detector. Together, this bank of detectors will resolve the cumulative chemical fingerprint of the sample. From this information, a tiny on-chip computer, containing a library of chemical fingerprints for different molecules, may figure out their relative concentrations, and help diagnose a specific illness.
من عالم الاتصالات المتسارع إلى "المجسّات الدقيقة"، أعاد الإنسان توظيف الضوء لنقل واستخلاص المعلومات. إن قدرته على الإنارة تتواصل؛ لإبهارنا بالمزيد من الاكتشافات.
From globe-trotting communications to labs-on-a-chip, humankind has repurposed light to both carry and extract information. Its ability to illuminate continues to astonish us with new discoveries.