Los investigadores han desarrollado un espectrómetro a escala de chip delgado como una oblea que es adecuado para aplicaciones portátiles. El robusto dispositivo de laboratorio en un chip de nitruro de galio también puede soportar entornos hostiles con radiación severa, como la exploración espacial o aquellos con altas temperaturas, y se puede adaptar para realizar análisis de sangre simplemente proyectando luz sobre la piel. Mide apenas 0,16 mm2.
«Como dispositivo portátil, podremos poner nuestro dispositivo sobre un sustrato flexible, como sábanas o tela, o tal vez sobre la piel», dijo el investigador doctoral Tuba Sarwar.
Un espectrómetro utiliza la espectroscopia para obtener una amplia gama de información sobre una sustancia en función de cómo absorbe y refleja la luz. La espectroscopia óptica, que mide el espectro de una señal óptica, es uno de los métodos de espectroscopia más frecuentes. Específicamente, mide la densidad de potencia espectral relativa del espectro en diferentes longitudes de onda.
El espectrómetro óptico prototipo creado por Sarwar y otros miembros del equipo del Prof. PC Ku se desarrolló inicialmente con un propósito específico: medir el sudor de un atleta en un dispositivo que podría usarse como un parche para la piel. Esta aplicación fue determinada por la Iniciativa de Ciencias del Deporte y el Ejercicio (ESSI) de la UM. El dispositivo no necesita durar mucho; de hecho, ser desechable era una ventaja.
Hacer un dispositivo de este tipo requeriría una miniaturización extrema de los dispositivos actuales disponibles en el mercado, que miden más cerca de 12 pulgadas cúbicas y cuestan entre cientos y miles de dólares. También requeriría crear un dispositivo que pueda funcionar en tiempo real bajo condiciones cambiantes.
«Comercialmente, hay muchos espectrómetros que pueden funcionar mejor que los nuestros», dijo Sarwar. «Pero nuestro enfoque fue la miniaturización, especialmente el grosor del dispositivo. Estas dos características pueden brindarnos un análisis de una muestra activa, como el sudor. No necesitamos ir al laboratorio para usar instrumentos sofisticados para obtener mediciones muy precisas».
La referencia de Sarwar a un laboratorio subraya la realidad de que la mayoría de los espectrómetros disponibles comercialmente requieren un sistema de sobremesa que consta de varios elementos ópticos distintos: 1) una fuente de luz para excitar la muestra; 2) codificadores espectrales para traducir la luz de la muestra en una salida legible; y 3) fotodetectores para traducir la señal codificada al espectro.
Entre estos tres elementos, los codificadores espectrales a menudo ocupan la mayor parte del espacio o grosor, lo que dificulta una hoja delgada de espectrómetro que pueda ser adecuada para aplicaciones epidérmicas.
Ku, Qu y su equipo asumieron el desafío de crear un dispositivo que pudiera lograr el objetivo de ESSI y crearon un dispositivo integrado miniaturizado de baja potencia que funciona en luz visible, específicamente, dentro del rango de longitud de onda de 400 a 645 nm.
El espectrómetro del equipo incluye solo 16 fotodetectores, cada uno de los cuales responde a un espectro único de la luz. Este bajo número de fotodetectores fue posible gracias a dos técnicas clave.
En primer lugar, el equipo utilizó ingeniería de deformación en codificadores espectrales basados en nitruro de galio (GaN). La ingeniería de deformación es una técnica utilizada, por ejemplo, en la fabricación de semiconductores en la que el material se somete a tensión o se deforma. Si se hace correctamente, puede dar lugar a nuevas propiedades de los materiales que se adapten mejor a aplicaciones específicas. Los semiconductores de GaN se seleccionaron como material fundamental debido a sus excelentes propiedades ópticas en todo el espectro visible.
Se logró el resultado deseado de una dependencia drásticamente reducida del ángulo de la luz, lo que eliminó la necesidad de un posicionamiento preciso del espectrómetro y la óptica asociada. También permitió que los fotodetectores residieran junto a los codificadores espectrales en el mismo chip.
En segundo lugar, el equipo incorporó el aprendizaje automático en el funcionamiento del dispositivo para decodificar la señal emitida por el detector. El investigador doctoral Can Yaras utilizó un algoritmo simple de mínimos cuadrados no negativos (NNLS) para habilitar un algoritmo computacional eficiente para recuperar la información espectral de la señal de los detectores.
En términos de rendimiento, el dispositivo fue muy preciso en la determinación de las longitudes de onda máximas (con una desviación estándar del 0,97 %), pero menos preciso en la medición de la relación de intensidad en diferentes posiciones máximas (con una desviación estándar del 21,1 % o del 10,4 % después de retirar un atípico).
El equipo espera que la lectura de las relaciones de intensidad se pueda mejorar aumentando la cantidad de fotodetectores y desarrollando aún más el algoritmo de aprendizaje automático, por ejemplo, mediante la aplicación de técnicas de aprendizaje profundo. También están trabajando en varias otras mejoras al espectrómetro prototipo.
«Nuestro objetivo no era construir el mejor espectrómetro del mundo en términos de resolución», dijo Ku, «sino centrarnos en otros aspectos que son igual de emocionantes, si no más: el tamaño, el grosor, el consumo de energía y la facilidad de operación».
En términos de aplicaciones futuras, Sarwar dice que este espectrómetro en miniatura podría integrarse en un parche para la piel para monitorear y diagnosticar la salud. La ventaja que tendría sobre los dispositivos existentes es el hecho de que la fuente de luz de excitación también se puede integrar fácilmente. La dureza de radiación de los semiconductores de GaN también hace que el dispositivo sea potencialmente adecuado para la exploración espacial.
