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?
È un'immagine sempre più frequente negli ospedali di tutto il mondo: un'infermiera ci misura altezza, peso, pressione sanguigna e collega una clip di plastica luminosa al nostro dito. Poi, su uno schermo digitale compare il livello di ossigeno nel nostro sangue. Come funziona? Come può una pinza di plastica esaminare il nostro sangue... senza un campione?
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.
Vi svelo il trucco: i nostri corpi sono traslucidi, cioè non bloccano, né riflettono, completamente la luce. In effetti, la luce riesce in parte ad attraversare pelle, muscoli e vasi sanguigni. Non ci credete? Appoggiate una torcia al vostro pollice.
Light, it turns out, can help probe the insides of our bodies.
Si è scoperto che la luce può aiutare ad esplorare l'interno dei nostri corpi.
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.
Pensate a quella clip medicale: si chiama pulsossimetro. Quando inspirate, i vostri polmoni trasferiscono ossigeno nell'emoglobina: il pulsossimetro misura il rapporto tra emoglobina ossigenata e non ossigenata grazie ad una minuscola luce LED rossa che si trova su un lato della clip e a un piccolo rilevatore di luce che si trova sull'altro.
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.
Quando la luce LED illumina il vostro dito, l'emoglobina nel sangue non ossigenata assorbe la luce rossa in misura superiore rispetto a quella ossigenata. La quantità di luce che attraversa il dito dipende dunque dalla proporzione tra questi due tipi di emoglobina.
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.
Tuttavia, pazienti diversi hanno anche vasi sanguigni di dimensioni differenti. Per un paziente, una misurazione della saturazione pari al 95% corrisponde ad un sano livello d'ossigeno, ma per un altro, con vene più piccole, lo stesso risultato potrebbe non corrispondere a livelli effettivi.
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.
A questo si può ovviare grazie a un secondo LED a infrarossi. La luce ha un vasto spettro di lunghezze d'onda: gli infrarossi si trovano appena al di sotto di quelle dei colori visibili. L'efficienza di assorbimento delle molecole, emoglobina inclusa, varia col variare della lunghezza d'onda della luce. Per questo, confrontare l'assorbimento della luce che va da rosso a infrarosso fornisce un profilo chimico
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.
che elimina le differenze dovute alle dimensioni delle vene. L'emergente industria dei sensori medicali sta esplorando metodi di profilazione chimica sempre più precisi, grazie a dispositivi che usano la luce non più grandi di un decimo di millimetro. Questa tecnologia microscopica, chiamata fotonica integrata, consiste di cavi in silicone che canalizzano la luce, come acqua in una tubatura,
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.
per deviarla, rimodellarla e persino intrappolarla temporaneamente. Un cavo circolare in silicone, detto risonatore ad anello, cattura la luce migliorando la profilazione chimica. Quando viene avvicinato ad un cavo in silicone, l'anello cattura ed incamera temporaneamente solo onde luminose il cui periodo di lunghezza d'onda rientra più volte nella sua circonferenza. È lo stesso principio di quando si pizzicano le corde di una chitarra. A seconda della loro lunghezza, le corde hanno schemi vibratori diversi che generano una nota fondamentale e i relativi suoni armonici.
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.
I risonatori ad anello sono stati pensati per incanalare in modo efficiente luci di lunghezze d'onda diverse - un canale di dati digitali per ognuna - nei sistemi di telecomunicazione in fibra ottica. Un giorno, però, questa tecnologia potrebbe essere adattata per creare minuscoli laboratori di profilazione chimica su chip grandi quanto una monetina. Questi futuri "laboratori su chip" potrebbero rilevare in modo facile, veloce e non invasivo tutta una serie di malattie attraverso l'analisi di saliva o sudore, nello studio del dottore o nella comodità della nostra casa.
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 umana, in particolare, rispecchia la composizione degli ormoni e delle proteine dei nostri corpi e può segnalare precocemente la presenza di alcuni tipi di tumori e malattie infettive o autoimmuni. Per identificare una malattia in modo preciso, i laboratori su chip potrebbero affidarsi a svariati metodi, compresa la profilazione chimica, per separare le tracce delle diverse sostanze presenti nella 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.
Varie biomolecole della saliva assorbono la luce alla stessa lunghezza d'onda, ma ciascuna mantiene un profilo chimico specifico. Quando la luce attraversa un campione di saliva, gli anelli sistemati su un laboratorio su chip potrebbero incanalare ciascuno una diversa lunghezza d'onda di luce e trasferirla ad un corrispondente rilevatore. Assieme, questi rilevatori di luce determineranno il profilo chimico completo del campione di saliva. Da questa informazione, un minuscolo computer su chip, dotato di un database del profilo chimico delle diverse molecole, potrebbe determinarne le rispettive concentrazioni, facilitando così la diagnosi di una specifica malattia.
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.
Dalla telecomunicazione globale ai laboratori su chip, l'uomo ha imparato ad usare la luce per trasportare e ricavare informazioni. La capacità di far luce continua a stupirci con nuove scoperte.