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?
В больницах по всему миру становится привычной такая картина: медсестра измеряет рост, вес, давление крови, а затем надевает пациенту на палец светящуюся пластиковую прищепку. Вдруг на цифровом дисплее начинают отображаться данные об уровне кислорода в крови. Как такое возможно? Как пластмассовая прищепка может что-либо знать о крови пациента
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.
без взятия пробы крови? Вот в чём секрет: тело человека прозрачно, то есть оно не полностью задерживает и отражает свет. Точнее, оно пропускает немного света сквозь кожу, мышцы и кровеносные сосуды. Не верите?
Light, it turns out, can help probe the insides of our bodies.
Поднесите фонарик к большому пальцу.
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.
Оказывается, что свет может помочь «прощупать» тело изнутри. Медицинская прищепка, надеваемая на палец, называется пульсоксиметром. При вдохе лёгкие человека соединяют молекулы гемоглобина и атомы кислорода, и пульсоксиметр измеряет соотношение связанного и несвязанного гемоглобина. Измерением занимаются крошечный красный светодиод с одной стороны прищепки и микродетектор света с другой.
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.
Когда огонёк светодиода освещает палец пациента, бескислородный гемоглобин в кровеносных сосудах человека поглощает красный свет больше, чем связанный гемоглобин. Так что количество света, проходящее насквозь, зависит от соотношения концентраций двух типов гемоглобина.
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.
Но размер кровеносных сосудов пальцев у каждого человека индивидуален. Для одного пациента показатель насыщенности крови кислородом 95% означает нормальный уровень кислорода, а для другого человека с ме́ньшим размером артерий точно такой же показатель может сильно искажать фактический уровень.
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.
Поправка вычисляется при помощи второго инфракрасного светодиода. Свет состоит из широкого набора волн различной длины, и инфракрасное излучение находится за пределами видимого спектра. Любые молекулы, включая гемоглобин, поглощают свет с различной эффективностью в зависимости от длины волны. Сравнив уровни поглощения красного и инфракрасного излучения, можно получить химический отпечаток вне зависимости от размера кровеносных сосудов.
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.
Сегодня благодаря медицинским сенсорам точность химической дактилоскопии выходит на всё новые рубежи, используя крошечные световые устройства размером менее десятой доли миллиметра. В микротехнологии под названием интегральная фотоника кремниевые провода служат для манипулирования светом, как водой в водосточной трубе, с их помощью можно менять
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.
форму и направление света, и даже временно задерживать лучи. Кольцевой резонатор, представляющий собой кремниевый провод в виде кольца, является световой ловушкой, улучшающей точность химического отпечатка. Находясь рядом с кремниевым проводом, резонатор улавливает и временно хранит только те волны света, периодическая длина которых укладывается целое число раз в длину окружности кольца. Это такой же эффект, как и при игре на гитарных струнах. Струна заданной длины будет издавать строго определённые вибрирующие звуки —
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.
основную ноту и её обертоны. Кольцевые резонаторы изначально были разработаны для эффективной маршрутизации цифровых данных по световым волнам в оптоволоконных сетях связи: каждый канал данных — на своей длине волны. Возможно, когда-нибудь этот вид маршрутизации трафика данных приспособят для миниатюрных химических дактилоскопических лабораторий на микросхемах размером с монетку. Эти микролаборатории будущего смогут легко, быстро и неинвазивно выявлять множество болезней, анализируя слюну или пот пациента во время осмотра у врача
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.
или прямо на дому. В частности, в человеческой слюне содержатся данные о составе белков и гормонов в организме, а также с её помощью можно на ранних стадиях обнаруживать признаки некоторых видов онкологических, инфекционных и аутоиммунных заболеваний. Чтобы точно определить болезнь, микроскопические лаборатории могут использовать ряд методов, включая химическую дактилоскопию, для изучения целого ряда микроэлементов в пробе слюны.
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.
Различные биомолекулы в слюне поглощают свет на одинаковой длине волны, но у каждой из них есть свой уникальный химический отпечаток. Пройдя через образец слюны, свет попадает на ко́льца резонаторов микролаборатории, каждое из которых улавливает волны своей определённой длины и посылает их на соотвествующий детектор света. Набор детекторов совместно определит совокупный химический отпечаток образца. На основе этой информации микрокомпьютер, хранящий библиотеку химических отпечатков разных молекул, сможет определить их относительные концентрации и помочь диагностировать конкретную болезнь.
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.
Начиная с глобальных коммуникаций и заканчивая микролабораториями, человечество ставит перед светом новые задачи — передавать и извлекать информацию.