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?
É uma visão cada vez mais comum em hospitais de todo o mundo: uma enfermeira mede a nossa altura, o peso, a tensão arterial e prende uma mola de plástico brilhante no nosso dedo. De repente, um ecrã digital lê o nível de oxigénio na nossa corrente sanguínea. Como é que isso acontece? Como é que uma mola de plástico pode descobrir algo sobre o sangue sem uma amostra do mesmo?
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.
O segredo é este: O nossos corpo é translúcido, o que significa que não bloqueia nem reflete a luz completamente. Em vez disso, permite que um pouco de luz passe através da pele, dos músculos e dos vasos sanguíneos. Não acreditam? Aproximem uma lanterna do vosso polegar.
Light, it turns out, can help probe the insides of our bodies.
A luz, ao que parece, pode ajudar a sondar o interior do nosso corpo.
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.
Consideremos essa mola de dedo médica, chamada oxímetro de pulso. Quando inalamos, os pulmões transferem oxigénio para as moléculas de hemoglobina, e o oxímetro de pulso mede a proporção entre hemoglobina oxigenada e hemoglobina sem oxigénio. Faz isso, usando uma pequena luz vermelha LED num lado do oxímetro e um pequeno detetor de luz no outro 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.
Quando a luz LED brilha sobre o dedo, a hemoglobina sem oxigénio, presente nos vasos sanguíneos, absorve a luz vermelha mais intensamente do que a equivalente oxigenada. Assim a quantidade de luz que chega ao outro lado depende da concentração de cada tipo 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.
Mas os pacientes têm vasos sanguíneos de diferentes dimensões nos dedos. Para um paciente, a saturação de 95% corresponde a um nível de oxigénio saudável, mas para outro com vasos sanguíneos mais pequenas, a mesma leitura pode interpretar mal — perigosamente —
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.
o nível de oxigénio real. Isso pode ser explicado com um segundo LED de comprimento de onda infravermelho A luz tem um vasto espetro de comprimentos de onda e a luz infravermelha fica logo além das cores visíveis. Todas as moléculas, incluindo a hemoglobina, absorvem a luz com rendimentos diferentes em todo esse espetro. Assim, o contraste da absorção do vermelho com a luz infravermelha fornece uma impressão digital química
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.
que elimina o efeito da dimensão dos vasos sanguíneos Hoje, uma indústria emergente de sensores médicos está a explorar todos os novos graus de impressão digital química de precisão, usando dispositivos minúsculos de manipulação de luz com menos de um décimo de milímetro. Esta tecnologia microscópica, chamada fotónica integrada, é feita de fios de silício que guiam a luz — como a água num cano — para redirecioná-la, remodelá-la e até mesmo retê-la temporariamente. Um dispositivo ressonador em anel, que é um fio circular de silício,
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.
é um aparelho que capta a luz que melhora a impressão digital química. Quando colocado perto de um fio de silício, um anel retira e armazena temporariamente apenas certas ondas de luz, — aquelas cujo comprimento de onda periódico se ajusta a um número inteiro de vezes ao longo da circunferência do anel. É o mesmo efeito que funciona quando dedilhamos cordas da guitarra. Só certos padrões de vibração dominam uma corda de determinado comprimento, para dar uma nota fundamental e as suas harmónicas.
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.
Os ressonadores de anel foram inicialmente concebidos para guiarem eficazmente comprimentos de ondas de luz — cada um deles um canal de dados digitais — em redes de comunicação por fibra ótica. Mas um dia, este tipo de orientação do tráfego de dados pode vir a ser adaptado para laboratórios miniatura de impressão digital química, em “chips” do tamanho de um cêntimo. Esses futuros “laboratórios-num-chip”, podem detetar, de modo fácil, rápido e não invasivo, uma série de doenças, analisando a saliva ou o suor humanos no consultório de um médico ou no conforto da nossa 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.
A saliva humana, em particular, reflete a composição das proteínas e das hormonas do nosso corpo e pode dar sinais de deteção precoce para determinados cancros e doenças infecciosas e autoimunes. Para identificar com rigor uma doença os laboratórios-num-chip podem basear-se em vários métodos, incluindo a impressão digital química, para filtrar a grande mistura de substâncias numa amostra 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.
Várias biomoléculas da saliva absorvem a luz no mesmo comprimento de onda mas cada uma tem uma impressão digital química diferente. Num laboratório-num-chip, depois de a luz passar por uma amostra de saliva, cada um de uma série de anéis sintonizados pode retirar um comprimento de onda de luz ligeiramente diferente e enviá-lo para um detetor de luz acoplado. Em conjunto, esse banco de detetores determinará a impressão digital química acumulada da amostra. A partir dessa informação, um minúsculo computador num chip, contendo uma biblioteca de impressões digitais químicas para moléculas diferentes pode descobrir as suas concentrações relativas e ajudar a diagnosticar de uma doença específica.
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 comunicações que percorrem o mundo a laboratórios-num-chip, a Humanidade adaptou a luz para carregar e extrair informações.