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?
C'est une image de plus en plus commune dans les hôpitaux du monde entier : une infirmière mesure notre taille, notre poids, notre tension et attache une pince lumineuse en plastique à notre doigt. Immédiatement, un écran affiche le niveau d'oxygène dans le sang. Comment est-ce possible ? Comment une pince en plastique peut-elle fournir des données sur notre sang... sans en extraire une seule goutte ?
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.
Voici l'astuce : nos corps sont translucides, c'est-à-dire qu'ils ne bloquent ni ne réfléchissent complètement la lumière. Ils permettent plutôt à une partie de la lumière de passer à travers notre peau, nos muscles, et nos vaisseaux sanguins. Vous n'y croyez pas ? Tenez une lampe torche derrière votre pouce.
Light, it turns out, can help probe the insides of our bodies.
Il s'avère que la lumière peut aider à sonder l'intérieur de notre corps.
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.
Prenez cette pince médicale : il s'agit d'un oxymètre de pouls. En inhalant, vos poumons transfèrent l'oxygène dans les molécules d'hémoglobine et l'oxymètre de pouls mesure le ratio entre l'hémoglobine oxygénée et non-oxygénée. Cela fonctionne à l'aide d'une petite LED rouge située d'un côté de la pince,
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.
et d'un petit détecteur de lumière situé de l'autre côté. Lorsque la LED envoie de la lumière sur votre doigt, l'hémoglobine non-oxygénée des vaisseaux sanguins absorbe la lumière rouge plus fortement que l'hémoglobine oxygénée. Donc la quantité de lumière qui passe à travers le doigt dépend du ratio de concentration des deux types d'hémoglobine.
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.
Mais deux patients auront des vaisseaux sanguins de taille différente. Pour un patient, une saturation de 95 % correspond à un niveau d'oxygène normal, mais pour un patient aux artères plus petites, la même valeur peut donner une fausse et dangereuse image du taux d'oxygène réel.
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.
Cela peut être évité grâce à une seconde lumière LED à infrarouges. La lumière est composée d'un large spectre de longueurs d'onde et la lumière infrarouge se situe à la limite de la lumière visible. Toutes les molécules, y compris l'hémoglobine, absorbent la lumière avec différentes intensités à travers ce spectre. Ainsi, le contraste entre l'absorption de la lumière rouge et l'infrarouge permet d'obtenir une empreinte digitale chimique,
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.
éliminant l'effet causé par la taille des vaisseaux sanguins. Aujourd'hui, une industrie émergente de capteurs médicaux explore de tout nouveaux degrés de précision d'empreintes digitales chimiques grâce à de petits appareils manipulant la lumière, à peine plus grands qu'un dixième de millimètre. Cette technologie microscopique, appelée optique intégrée, est faite de câbles de silicone qui guident la lumière - comme l'eau dans un tuyau - pour rediriger, reformer et même la retenir temporairement.
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 résonateur en anneau, un câble circulaire en silicone, piège la lumière et améliore les empreintes digitales chimiques. Placé à côté d'un câble en silicone, un anneau draine et stocke temporairement certaines ondes lumineuses - celles dont les longueurs d'onde périodiques correspondent à nombre entier de fois dans la circonférence de l'anneau. C'est le même effet que lorsque nous pinçons les cordes d'une guitare. Seuls certains modèles vibratoires prédominent sur une corde d'une longueur donnée,
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.
pour produire une note fondamentale et ses harmoniques. Les résonateurs en anneaux ont d'abord été fabriqués pour rediriger différentes longueurs d'ondes lumineuses - chacune avec une chaine de données numériques - dans des réseaux de communication par fibre optique. Mais un jour, cet acheminement des données pourrait être adapté en mini laboratoires d'empreintes digitales chimiques sur des puces de la taille d'un centime. Ces futurs labo-sur-puce pourraient rapidement, facilement et de façon non invasive, détecter une multitude de maladies en analysant la salive ou la sueur humaine dans le bureau du médecin ou dans le confort de nos maisons.
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 salive humaine reflète tout particulièrement la composition en protéines et hormones de notre corps, et peut donner des signes avant-coureurs de certains cancers et certaines maladies infectieuses et auto immunes. Pour diagnostiquer une maladie avec précision, les labos-sur-puce peuvent s'appuyer sur différentes méthodes, dont les empreintes digitales chimiques, pour passer au crible un large éventail de substances
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.
dans un échantillon de salive. De nombreuses biomolécules de la salive absorbent la lumière à la même longueur d'onde - mais chacune a une empreinte digitale chimique distincte. Dans un labo-sur-puce, après que la lumière est passée à travers la salive, de nombreux anneaux affinés vont chacun piéger une longueur d'onde légèrement différente et l'envoyer à un détecteur de lumière associé. Ensemble, cet ensemble de détecteurs pourra résoudre l'accumulation d'empreintes chimiques de l'échantillon. À partir de cette information, une minuscule puce d'ordinateur, contenant une bibliothèque des empreintes chimiques des différentes molécules, pourrait deviner les concentrations et aider à diagnostiquer une maladie donnée.
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.
Des communications internationales aux labos-sur-puce, l'humanité a redéfini la lumière pour porter et extraire des informations. Sa capacité à éclairer continue de nous émerveiller de nouvelles découvertes.