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?
یک تصویر که در همه بیمارستانها به وفور دیده میشود این است که: یک پرستار قد، وزن و فشار خون ما را اندازه میگیرد. و یک گیره پلاستیکی چسبنده به دست ما نصب میکند. ناگهان، صفحه دیجیتالی میزان اکسیژن جریان خون ما را نمایش میدهد. چطور این اتفاق میافتد؟ چطور گیره پلاستیکی اطلاعات خون ما را دریافت میکند... بدون نمونهگیری از خون؟
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.
فوت و فنش این است: بدن ما نیمه شفاف است، یعنی نور را کاملا جذب نمیکند، کاملا انعکاس هم نمیدهد. در عوض، تقریبا اجازه میدهد میزانی از نور از پوست، ماهیچهها و رگهای خون عبور کند. باور ندارید؟ یک چراغ قوه روی شستتان نگه دارید.
Light, it turns out, can help probe the insides of our bodies.
نوری که بیرون میآید میتواند به بررسی اطلاعات داخل بدنهای ما کمک کند.
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.
آن گیرنده انگشت را در نظر بگیرید - به آن پالس اکسیژن سنج میگویند. وقتی نفس می کشید، ششهای شما اکسیژن را به داخل مولکول های هموگلوبین هدایت میکند، پالس اکسیژنسنج نسبت هموگلوبینهای اکسیژندار به هموگلوبینهای بدون اکسیژن را اندازه میگیرد. با یک لامپ ال.ای.دی کوچک در یک سمت گیره انگشتی، و آشکارساز کوچک سمت دیگر این کار را انجام میدهد.
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.
وقتی ال.ای.دی روی انگشت شما را روشن می کند، هموگلوبینهای بدون اکسیژن در رگهای خونی نور قرمز را خیلی قوی تر از همتای اکسیژندار خودشان جذب میکند. بنابراین مقدار نوری که از سمت دیگر خارج میشود به نسبت غلظت این دو نوع هموگلوبین بستگی دارد.
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.
اما هر دو بیماری سایز عروق متفاوتی در انگشنتانشان دارند. برای یک بیمار، خواندن اشباع در حد ۹۵ درصد نشان دهنده سطح اکسیژن سالم است، اما یک بیمار دیگر با عروق باریکتر، خواندن این میزان میتواند به طور خطرناکی میزان واقعی اکسیژن را بد جلوه بده.
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.
میتوان این موضوع را با یک LED دیگر با طول موج فراقرمز به حساب آورد. نور طیف وسیعی از طول موجها را دارد، و نور فروسرخ قبل از نورهای مرئی است. مولکول هموگلوبین و بقیه مولکولها، نور را با بهره های متفاوت در طول این طیف جذب میکند. مقایسه جذب نور قرمز به نور مادون قرمز یک اثر انگشت شیمیایی را تولید میکند که اثر سایز عروق را از بین میبرد.
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.
امروزه، صنعت در حال ظهور حسگرهای پژشکی همه درجههای اثر انگشتهای شیمیایی دقیق را با استفاده از وسایل کوچکتر از ده میلیمتری دستکار کننده نور اکتشاف میکنند. این تکنولوژی میکروسکوپی، جمع کننده فوتون خوانده می شود، از سیم های سیلکونی ساخته شده است تا نور را هدایت کند- شبیه آب در لوله - تا نور را بچرخاند، شکل دهد و یا به صورت موقت به تله اندازد.
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.
قطعه حلقه تشدید کننده که یک سیم سیلکونی و دایره شکل است یک تله نوری ست که اثرانگشتهای شیمیایی را تقویت میکند. وقتی نور کنار سیم سیلیکونی قرار میگیرد، حلقه به طور موقت مقدار مشخصی از نور را ذخیزه میکند آن امواجی که طول موجشان متناسب با چند برابر طول محیط دایروی است. همان اثری را دارد که وقتی سیمهای گیتار الکتریکی را گیر میاندازیم اتفاق میافتد. فقط برخی از الگوهای ارتعاشی در سیمی با طول مشخص انجام میشود، تا نت اصلی و نتهای فرعی آن را صدا دهد.
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.
حلقه تشدید در اصل برای این طراحی شده که طول موجهای مختلف نور را به طور موثر به کانال دیتاهای اطلاعات دیجیتالی -- در فیبرنوری شبکههای ارتباطی هدایت کند. اما یک روز ممکن است این دسته از اطلاعات برای آزمایشگاههای اثر انگشتهای شیمیایی کوچک اقتباس بشود، روی تراشهای با سایز یه سکه یک پنی. این آزمایشگاه روی تراشههای آینده به آسانی و به سرعت و به طور غیرتهاجمی یک میزبان بیماریها را آشکار میسازند. با آنالیز کردن بزاق و یا عرق انسان در مطب دکتر و یا به راحتی در خانههای خودمان.
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.
بزاق انسان عملا ترکیب بدن ما را آشکار میکند پروتئینها و هورمونها و میتواند اخطارهای نشانههایی از سرطانهای وخیم و بیماریهای عفونی و خود ایمنی را بدهد. برای اینکه به دقت بیماریها را تشخیص دهند، آزمایشگاه روی تراشه میتواند به متدهای زیادی اتکا کند، مثلا اثر انگشت شیمیایی برای غربالگری از طریق ترکیب بزرگی از ردیابی مواد در نمونهای از آب دهان
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.
بیو مولکولها در بزاق نور را در طول موج یکسانی جذب میکند اما هر کدام اثر انگشتهای متفاوتی دارند. در آزمایشگاه تراشهای بعد از اینکه نور از نمونه بزاق رد شد یک میزبان از حلقههای خوب تنظیم شده هر کدام قسمتی از طول موجها را کنار میزند و به سمت شریک آشکارساز نوری میفرستد همه این آشکارسازها با هم اثر انگشتهای یک جای آن نمونه را نشان میدهد. از این اطلاعات، یک تراشه کامپیوتری کوچک، که شامل یک کتابخانه از اثر انگشتهایی از مولکولهای مختلف است تمرکز مرتبط با آنها را پیدا میکند، و به تشخیص بیماریهای خاص کمک خواهد کرد.
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.
از ارتباطات جهانگردی تا آزمایشگاه روی تراشه، بشر کاربری نور را برای حمل و استخراج اطلاعات تغییر داده است. درخشندگی آن با اکتشافات جدید به متحیر کردن ما ادامه میدهد.