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?
Una imagen cada vez más común en los hospitales de todo el mundo es la de una enfermera que nos mide la altura, el peso y la presión arterial, y nos coloca en el dedo una pinza de plástico que emite luz. De inmediato, una pantalla digital registra el nivel de oxígeno en la sangre. ¿Cómo es posible? ¿Cómo es que un dispositivo de plástico proporciona datos sobre la sangre sin que nos extraigan una muestra?
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.
Veamos cuál es el truco: nuestro cuerpo es translúcido, es decir que no bloquea la luz de manera total, ni tampoco la refleja. En realidad, un poco de luz puede atravesar la piel, los músculos y los vasos sanguíneos. ¿No te convences? Pon una linterna encendida detrás del pulgar.
Light, it turns out, can help probe the insides of our bodies.
Sucede que la luz nos permite estudiar el cuerpo por dentro.
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.
Volvamos al dispositivo médico que se coloca en el dedo. Recibe el nombre de "oxímetro de pulso". Cuando inhalamos, los pulmones permiten el ingreso de oxígeno en las moléculas de hemoglobina, y el oxímetro de pulso mide la relación entre la hemoglobina oxigenada y la hemoglobina no oxigenada. Lo hace mediante una diminuta luz LED roja adosada a un lado de la pinza, y un pequeño detector de luz incorporado al otro lado.
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.
Cuando la luz LED ilumina el dedo, la hemoglobina no oxigenada de los vasos sanguíneos absorbe la luz roja con mayor intensidad que la hemoglobina oxigenada. Por eso, la cantidad de luz que logre atravesar el dedo dependerá del nivel de concentración en los dos tipos de hemoglobina.
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.
Pero los vasos sanguíneos de los dedos pueden diferir en tamaño según el paciente. En un caso, un nivel de saturación del 95 % corresponde a un nivel normal de oxigenación. Pero en un paciente con arterias más pequeñas, los mismos valores podrían distorsionar peligrosamente el verdadero nivel de oxígeno.
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.
Esto se solucionaría con una segunda luz LED de longitud de onda infrarroja. La luz está compuesta por un amplio espectro de longitudes de ondas, y la luz infrarroja se ubica apenas pasando el límite de los colores visibles. Todas las moléculas, incluida la hemoglobina, absorben con distinta intensidad las luces del espectro. Por ello, si comparamos la absorción de la luz roja con la infrarroja, obtendremos una huella química para descartar el efecto ocasionado por el tamaño de los vasos sanguíneos.
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.
Actualmente, hay una industria emergente en sensores médicos para analizar con precisión todo tipo de huellas químicas mediante diminutos dispositivos que funcionan a base de luz y no superan una décima de milímetro. Esta tecnología microscópica, llamada "fotónica integrada", consiste en cables de silicio que guían la luz, como el agua en una cañería, para redireccionarla, reformarla e incluso atraparla temporalmente.
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.
Un resonador de anillo, que es un cable circular de silicio, atrapa la luz y mejora la detección de las huellas químicas. Cuando está cerca de un cable de silicio, un anillo separa y almacena temporalmente solo ciertas ondas de luz, aquellas cuya longitud de onda periódica cabe un número entero de veces en la circunferencia del anillo. Es el mismo efecto que se produce cuando punteamos las cuerdas de una guitarra. Solo ciertos patrones vibratorios predominan en una cuerda de determinada longitud para producir una nota particular junto con sus sobretonos.
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.
Los resonadores de anillo fueron originalmente diseñados para dirigir con eficiencia distintas longitudes de onda, cada una de las cuales es un canal de datos digitales, en redes de comunicación por fibra óptica. Pero algún día, esta forma de guiar el tráfico de datos podría adaptarse a partir de laboratorios de huellas químicas en miniatura incorporados en chips del tamaño de una moneda. Estos futuros laboratorios dentro de un chip podrían detectar de manera sencilla, rápida y no invasiva una serie de enfermedades con el análisis de la saliva o el sudor de una persona en el consultorio o desde la comodidad del hogar.
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.
La saliva humana, en particular, refleja la composición de las proteínas y hormonas del organismo y puede dar señales tempranas de la existencia de ciertos cánceres y de enfermedades infecciosas e autoinmunes. Para identificar una enfermedad de manera precisa, un chip de este tipo puede valerse de varios métodos, como la identificación de huellas químicas, para filtrar la gran mezcla de restos de sustancias en una muestra de saliva.
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.
Las distintas biomoléculas de la saliva absorben luz en la misma longitud de onda, pero cada una tiene una huella química particular. En estos chips, una vez que la luz atraviesa la muestra de saliva, una serie de anillos muy bien afinados pueden separar una longitud de onda levemente distinta y enviarla a su detector de luz correspondiente. En conjunto, este grupo de detectores identificará la huella química acumulada en la muestra. Con esta información, una pequeña computadora integrada en un chip que contiene una biblioteca de huellas químicas para las distintas moléculas, puede calcular las concentraciones relativas y ayudar a diagnosticar una enfermedad en particular.
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.
De comunicaciones por todo el mundo a laboratorios contenidos en un chip, la humanidad le ha dado un nuevo sentido al uso de la luz tanto para transmitir como para extraer información.