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?
Coraz bardziej zwyczajny widok w szpitalach na świecie: pielęgniarka mierzy nam wzrost, wagę i ciśnienie, a potem zakłada świecący plastikowy klips na palec. Nagle na monitorze widać poziom tlenu we krwi. Jak to się dzieje? Co plastikowy klips może wiedzieć o krwi bez pobrania próbki?
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.
Oto sekret: nasze ciała są prześwitujące, czyli nie do końca blokują i odbijają światło. Trochę światła przechodzi przez skórę, mięśnie i naczynia krwionośne. Ciężko uwierzyć? Przyłóż latarkę do kciuka.
Light, it turns out, can help probe the insides of our bodies.
Okazuje się, że światło może pomóc w badaniu wnętrzności.
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.
Medyczny klips na palec to pulsoksymetr. Podczas wdechu płuca przenoszą tlen do cząsteczek hemoglobiny, a pulsoksymetr mierzy stosunek utlenowanej do nieutlenowanej hemoglobiny. Robi to za pomocą małego czerwonego światła LED po jednej stronie klipsa i małego detektora światła po drugiej.
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.
Kiedy dioda LED świeci w palec, nieutlenowana hemoglobina w naczyniach krwionośnych absorbuje czerwone światło silniej niż jej utlenowany odpowiednik. Ilość światła przedostająca się na drugą stronę zależy od stosunku stężenia dwóch rodzajów hemoglobiny.
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.
Jednak naczynia w palcach pacjentów różnią się wielkością. Dla jednego pacjenta odczyt nasycenia wynoszący 95% odpowiada zdrowemu poziomowi tlenu, ale dla innego pacjenta z mniejszymi tętnicami ten sam odczyt może zakłamać rzeczywisty poziom tlenu.
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.
Można to sprawdzić za pomocą drugiej podczerwonej diody LED. Światło ma szerokie spektrum długości fal, a światło podczerwone jest nieco poza widocznymi kolorami. Wszystkie cząsteczki, w tym hemoglobina, pochłaniają światło w tym spektrum z różną skutecznością. Porównanie absorpcji światła czerwonego z podczerwonym daje chemiczny odcisk palca
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.
bez względu na rozmiar naczyń krwionośnych. Obecnie rozwijane czujniki medyczne badają w zupełnie nowym stopniu dokładność chemicznej daktyloskopii, manipulując światłem urządzeniami mniejszymi od jednej dziesiątej milimetra. Ta mikrotechnologia, czyli zintegrowana fotonika, wykonana jest z drutów krzemowych przewodzących światło jak woda w rurze.
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.
Przekierowuje je, zmienia kształt, a nawet tymczasowo przetrzymuje. Rezonator pierścieniowy, czyli okrągły drut krzemu, jest pułapką dla światła, która poprawia jakość chemicznej daktyloskopii. Pierścień umieszczony blisko drutu krzemowego wysysa i tymczasowo magazynuje tylko niektóre fale światła: te, których okresowa długość fali pasuje do długości obwodu pierścienia. Tak samo pracują struny w grającej gitarze. Tylko niektóre wibracje dominują na strunach o określonej długości, co nadaje im ton i alikwoty.
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.
Rezonatory pierścieniowe pierwotnie stworzono do skutecznego kierowania różnymi długościami fal światła każdego kanału danych cyfrowych w światłowodowych sieciach komunikacyjnych. Kiedyś ten rodzaj trasowania danych może znajdzie zastosowanie w miniaturowych laboratoriach daktyloskopii chemicznej na czipach wielkości grosza. Te przyszłe laboratoria w czipie mogą łatwo, szybko i nieinwazyjnie wykrywać wiele chorób, analizując ślinę lub pot w gabinecie lekarskim lub w domowych pieleszach.
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.
Szczególnie ludzka ślina odzwierciedla skład białek i hormonów w organizmie. Może być wczesnym ostrzeżeniem w przypadku niektórych nowotworów, chorób zakaźnych i autoimmunologicznych. Żeby dokładnie zidentyfikować chorobę, laboratorium w czipie może polegać na kilku metodach, w tym na daktyloskopii chemicznej, w celu badania dużych próbek substancji śladowych w ślinie.
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.
Różne biocząsteczki w ślinie pochłaniają światło o tej samej długości fali. ale każda z nich ma inny, wyraźny chemiczny ślad. W laboratorium w chipie, po przejściu światła przez próbkę śliny, ciąg precyzyjnie dostrojonych mechanizmów może izolować inne długości fal światła i wysyłać je do innego detektora światła. W efekcie zestaw detektorów określi skumulowany chemiczny ślad próbki. Na podstawie tych informacji niewielki komputer w chipie, zawierający bibliotekę chemicznych śladów różnych cząsteczek, może ustalić ich względne stężenie i pomóc zdiagnozować konkretną chorobę.
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.
Od światowej komunikacji po laboratoria na czipach ludzkość posługuje się światłem do przenoszenia i zdobywania informacji. Jego umiejętność oświecania wciąż nas zaskakuje nowymi odkryciami.