Los científicos han creado un chip espectrómetro que cabe en un grano de arena.
¿Qué es un espectrómetro?
Un espectrómetro es un instrumento científico que analiza materiales estudiando cómo interactúan con la luz. Cuando una fuente de luz ilumina una sustancia, esta sustancia absorbe parte de esa luz y emite un espectro característico. Los científicos pueden estudiar este espectro para identificar los componentes químicos de esta sustancia.
La detección espectral puede diagnosticar enfermedades, evaluar la salud de los cultivos en un campo o medir la calidad del suelo. Los espectrómetros tradicionales dividen la luz en un arcoíris de colores utilizando un prisma o una rejilla, y luego miden el brillo de cada color. Dado que la luz debe viajar a través de una cierta distancia para separarse adecuadamente, los instrumentos espectrométricos tradicionales tienden a ser grandes y costosos.
¿Qué es un chip espectrómetro y cómo funciona?
Un chip espectrómetro es una versión miniaturizada de un espectrómetro tradicional. Los ingenieros construyen todos los componentes de detección de luz directamente en un pequeño trozo de silicio. Este chip realiza la misma tarea fundamental que un instrumento de laboratorio de tamaño completo — identifica la composición química de un material analizando la luz — pero lo hace sin ninguna parte óptica voluminosa.
Un espectrómetro tradicional dispersa la luz en un espectro físicamente, utilizando un prisma de vidrio o una rejilla de difracción. Un chip espectrómetro toma un enfoque diferente. En lugar de separar la luz físicamente, este chip utiliza una matriz de pequeños fotodetectores. Cada detector responde a un rango de longitudes de onda ligeramente diferente. Cada píxel en la matriz del sensor recibe selectivamente luz y genera señales filtradas espectralmente a las que un controlador puede acceder.
Las señales de los detectores están codificadas y se superponen: ningún detector individual proporciona una lectura clara de un color. Una unidad de procesamiento – a menudo alimentada por aprendizaje automático – luego analiza todas las señales juntas y reconstruye el espectro completo de forma computacional. Este enfoque reemplaza el trabajo físico de un prisma con un cálculo matemático.
El resultado es un dispositivo que puede caber en la punta de un dedo, pero que aún puede identificar productos químicos, detectar marcadores de enfermedades o evaluar la calidad de los alimentos analizando la luz reflejada o transmitida.
El impulso por hacer espectrómetros más pequeños
Durante años, los científicos han trabajado para reducir el tamaño de los espectrómetros. La reducción de tamaño ha pasado de instrumentos de mesa con una huella de 200 cm² a microspectrómetros portátiles con una huella de 40 mm². Cada paso hacia abajo en tamaño también ha traído una disminución en costos, haciendo que esta tecnología sea más accesible.
Un equipo de investigación en la Universidad de Michigan desarrolló un espectrómetro miniatura y delgado como un papel que mide solo 0.16 mm² y puede soportar entornos difíciles. Los investigadores diseñaron este dispositivo para analizar el sudor de un atleta a través de un parche de piel portátil. Estos esfuerzos mostraron que los espectrómetros más pequeños eran posibles, pero los investigadores querían ir aún más lejos.
El nuevo chip diminuto de UC Davis
Ahora, investigadores de la Universidad de California en Davis (UC Davis) han construido un chip espectrómetro que se acerca al tamaño de un grano de arena. Este chip mide menos de medio milímetro cuadrado. Este equipo, liderado por el profesor Saif Islam, publicó los resultados en la revista Advanced Photonics.
“Queríamos llevar este poder fuera del laboratorio y ponerlo en tu bolsillo”, dijo el científico postdoctoral Ahasan Ahamed, el primer autor del artículo.
Cómo funciona el chip de UC Davis
El chip de UC Davis no utiliza un prisma o una rejilla para separar la luz. En su lugar, se basa en un pequeño conjunto de sensores combinados con inteligencia artificial (IA).
Este chip utiliza dieciséis fotodetectores de silicio, cada fotodetector es sensible a una longitud de onda diferente de luz. Cada fotodetector captura solo una parte de la información espectral. Juntos, los dieciséis fotodetectores recopilan suficientes datos para que una red neuronal reconstruya el espectro completo de luz.
Piense en estos dieciséis fotodetectores como un grupo de catadores que prueban un plato complejo. Ningún catador individual identifica todos los ingredientes, pero juntos brindan suficiente información para que un experto entrenado nombre la receta. La IA juega el papel de ese experto.
El chip potenciado con IA puede mantener la claridad de la señal incluso en presencia de interferencias eléctricas significativas, un gran desafío en la electrónica portátil y de bajo costo.
Extendiendo la sensibilidad hacia el infrarrojo
Un desafío técnico clave fue extender la sensibilidad del chip más allá de la luz visible. Los sensores de silicio funcionan bien para longitudes de onda visibles, pero normalmente tienen dificultades para detectar luz cerca del infrarrojo (NIR) — longitudes de onda de hasta 1100 nm. La luz NIR es importante para aplicaciones médicas porque puede penetrar en los tejidos humanos más profundamente que la luz visible.
El equipo de UC Davis resolvió este problema texturizando la superficie de los detectores de silicio con estructuras de superficie que atrapan fotones. Su chip cubre un amplio rango espectral de 300 nm a 1100 nm, comparable en tamaño a un grano de arena. Las superficies texturizadas dispersan repetidamente los fotones NIR dentro de la capa de silicio, aumentando la probabilidad de que el material los absorba.
Midiendo eventos de luz ultrarrápidos
Más allá de medir el color, este chip también puede rastrear cuánto tiempo sobreviven los fotones dentro de un material. Este chip incorpora sensores de alta velocidad que miden el tiempo de vida de los fotones con gran precisión. Esta capacidad permite que su dispositivo detecte interacciones ultrarrápidas entre la luz y la materia que los espectrómetros tradicionales suelen pasar por alto.
¿Para qué tareas utilizan los científicos este chip?
El diseño en miniatura abre muchas aplicaciones prácticas.
Medicina: Los médicos podrían usar pequeños dispositivos portátiles para diagnosticar enfermedades en el punto de atención. Un monitor portátil con este chip podría rastrear la química sanguínea de un paciente a través de la piel en tiempo real.
Seguridad alimentaria: Esta tecnología podría evaluar la salud de los cultivos en un campo o medir la calidad del suelo. Los consumidores o productores de alimentos podrían escanear productos para comprobar la frescura o detectar contaminantes sin enviar muestras a un laboratorio.
Medio ambiente: Los investigadores también han desarrollado sistemas compactos de espectrómetro hiperespectral en chip para la observación de la Tierra, permitiendo un análisis preciso de las condiciones de las plantas y el suelo. Un chip tan pequeño podría caber en drones o satélites para el monitoreo ambiental de grandes áreas.
Dispositivos cotidianos: “Estamos allanando el camino para un futuro en el que tu reloj o tu teléfono no solo tome fotos, sino que analice el mundo químico que te rodea”, declaró el equipo de UC Davis.
La combinación de IA y hardware miniaturizado es la clave del avance detrás de este avance. El chip no necesita componentes ópticos voluminosos porque la red neuronal realiza el trabajo computacional que la óptica solía hacer físicamente. Este cambio de enfoque — de la separación de hardware a la reconstrucción por software — podría definir la próxima generación de dispositivos de detección.
