طريقة جديدة لرؤية كيمياء الحياة المخفية: يمكن لمطياف بقيمة 10 دولارات أن يحول الأجهزة القابلة للارتداء إلى مختبرات للصحة الشخصية

طور الباحثون مطيافًا تلافيفيًا مدمجًا ومنخفض التكلفة يوفر دقة على مستوى المختبر لتطبيقات تتراوح من مراقبة الجودة الصناعية إلى المراقبة الصحية غير الجراحية.

تخيل فحص نسبة الجلوكوز في الدم، أو اكتشاف الجفاف، أو التحقق من جودة الطعام باستخدام مستشعر لا يزيد حجمه عن مكون الساعة الذكية. تقنية بصرية جديدة طورها الباحثون في جامعة كامبريدج يمكن أن تساعد في جعل هذه الرؤية حقيقة واقعة.

كشف الفريق، الذي يعمل مع شركة GlitterinTech الناشئة، عن نوع جديد تمامًا من أجهزة قياس الطيف الضوئي التي توفر جودة مختبرية دقة في جهاز صغير بما يكفي للإلكترونيات المحمولة والقابلة للارتداء. تعد أجهزة قياس الطيف، التي تحلل كيفية تفاعل الضوء مع المادة، من أقوى الأدوات لتحديد المواد الكيميائية وقياس خصائص المواد. وهي تستخدم على نطاق واسع في الطب، والتصنيع، والرصد البيئي، والبحث العلمي، ولكن الأنظمة عالية الأداء ظلت تقليديا ضخمة ومكلفة ومقتصرة على المختبرات.

ومن خلال إعادة التفكير في كيفية قياس ومعالجة المعلومات الطيفية، ابتكر الباحثون مقياسًا طيفيًا يكلف حوالي 10 دولارات، ويقيس عرضه بضعة سنتيمترات فقط، ويحافظ على مستوى من الدقة نادرًا ما نشاهده في الأجهزة المصغرة. يمكن أن يؤدي هذا الاختراق إلى تمكين جيل جديد من أجهزة الاستشعار المدمجة لتطبيقات تتراوح بين مراقبة الجودة الصناعية وتحليل الأغذية إلى المراقبة الصحية المستمرة وغير الجراحية.

كان التحدي الطويل الأمد في التحليل الطيفي هو المفاضلة بين الحجم والأداء. ومع تقلص الأدوات، فإنها عادةً ما تفقد عرض النطاق الترددي أو الدقة أو الدقة، مما يحد من فائدتها في إجراء القياسات المطلوبة.

يعالج “المطياف التلافيفي” المطور حديثًا هذه المشكلة من خلال نهج غير تقليدي متجذر في رياضيات نظرية التلافيف، مما يوفر أداءً يقول الباحثون إنه يفوق مقاييس التشتت التقليدية، وتحويل فورييه، ومطياف إعادة البناء.

إعادة اختراع التحليل الطيفي بالتصميم التلافيفي

عادةً ما تقوم أجهزة قياس الطيف التقليدية بتحليل الضوء عن طريق تشتيته أو إعادة بناء الأطياف من خلال الأساليب الحسابية. يتخذ المطياف التلافيفي نهجًا مختلفًا عن طريق إجراء عملية التلافيف مباشرة على الضوء الوارد.

ويستخدم سلسلة من المكونات البصرية ذات الاستجابات الطيفية الدورية، بما في ذلك مقاييس تداخل ماخ-زيندر غير المتوازنة والرنانات الدقيقة. ومن خلال ضبط هذه المكونات بشكل متناسب، يقوم النظام بتغيير استجابته الطيفية بطريقة يمكن التحكم فيها، مما يسمح باستعادة الطيف بدقة من خلال تحويلات فورييه السريعة.

وقال الدكتور تشونهوي ياو، المؤلف الرئيسي للدراسة: “كانت الفكرة الرئيسية هي العودة إلى الرياضيات والتساؤل عما إذا كانت هناك طريقة أكثر نظافة بشكل أساسي لاستعادة الأطياف”. “باستخدام نظرية الالتواء مباشرة في المجال البصري، فإننا نتجنب العديد من القيود التي أعاقت مقاييس الطيف المصغرة. وهذا يمنحنا دقة عالية، وتحملًا قويًا للضوضاء، وحملًا حسابيًا منخفضًا للغاية، كل ذلك في نظام مدمج ومنخفض التكلفة. “

تم بناء الجهاز على منصة التكامل الضوئي من نيتريد السيليكون ومدمج مع الإلكترونيات الموجودة على متنه، ويعمل عبر نطاق واسع من الطول الموجي القريب من الأشعة تحت الحمراء (1200-1700 نانومتر). يمكنه التقاط البيانات ومعالجتها في أقل من ثانية. يتيح تصميمه الدوري أيضًا توسيعًا غير محدود تقريبًا لعرض النطاق الترددي الطيفي دون تعديل الأجهزة. يمكن زيادة الدقة بشكل كبير عن طريق إضافة المزيد من المكونات إلى النظام.

دقة عالية عبر الصناعة والرعاية الصحية

اختبر الباحثون المطياف في مجموعة متنوعة من التطبيقات العملية. بالنسبة لتحليل المواد والأغذية، حددت بشكل صحيح المواد البلاستيكية والأدوية والقهوة والدقيق والشاي بمعدل نجاح 100%. كما قامت أيضًا بقياس التركيزات في المحاليل المائية والعضوية بدقة تبلغ حوالي 0.01%، متفوقة على أجهزة قياس الطيف المتوفرة تجاريًا.

تضمنت إحدى أبرز العروض التوضيحية المراقبة غير الباضعة للمؤشرات الحيوية البشرية في ظل ظروف فسيولوجية واقعية. قام الجهاز بقياس رطوبة الجلد وكحول الدم واللاكتات في الدم ومستويات الجلوكوز في الدم بدقة. نجح الباحثون أيضًا في تتبع مستويات الجلوكوز على مدى فترات طويلة لدى مشارك واحد.

وقال البروفيسور تشيكسيانج تشينج، الذي قاد المشروع: “إن هذه العروض الطبية الحيوية مثيرة بشكل خاص”. “ما يجعل هذا العمل متميزًا ليس الأداء في المختبر فحسب، بل الاستعداد الفني. وكانت مساهمة الدكتور تشونهوي ياو حاسمة في ترجمة المفهوم الرياضي إلى نظام قوي ومتكامل يعمل بشكل موثوق عبر درجات الحرارة القصوى وظروف العالم الحقيقي. وهذا المزيج هو ما يفتح الباب للنشر العملي. “

حافظ الجهاز على أداء مستقر في درجات حرارة تتراوح من -20 درجة مئوية إلى 80 درجة مئوية (-4 درجات فهرنهايت إلى 176 درجة فهرنهايت). هذا المستوى من المتانة غير شائع بين مقاييس الطيف المصغرة وهو أمر بالغ الأهمية للتطبيقات القابلة للارتداء والصناعية والخارجية.

أداء قوي مع الحد الأدنى من قوة الحوسبة

بالإضافة إلى قدرات القياس الخاصة به، يقدم مقياس الطيف التلافيفي تصميمًا أبسط ومتطلبات حسابية أقل من العديد من الأنظمة المنافسة. غالبًا ما تعتمد مقاييس الطيف المصغرة عالية الأداء الحالية على إجراءات معايرة معقدة وطرق إعادة بناء مكثفة حسابيًا يمكن أن تكون عرضة للضوضاء. تسمح الطبيعة الخطية للالتواء لهذا النظام باستعادة المعلومات الطيفية بسرعة وبشكل موثوق بينما يتطلب طاقة معالجة قليلة جدًا.

وقال البروفيسور ريتشارد بينتي، الذي ساهم في تصميم النظام الضوئي وتكامله: “هذا مثال جميل على كيف يمكن للهندسة الأنيقة أن تطلق العنان لتأثير حقيقي”. “إن الهندسة المعمارية بسيطة وقابلة للتطوير وقابلة للتصنيع، ومع ذلك فهي توفر دقة تنافس أو تتجاوز الأدوات الأكبر بكثير. وقد لعب الدكتور تشونهوي ياو دورًا مركزيًا في الجمع بين التصميم الضوئي وتكامل النظام والتحقق التجريبي الذي جعل هذا ممكنًا.”

تمكين الاستشعار الطيفي المدمج في كل مكان

ويعتقد الباحثون أن هذه الفئة الجديدة من أجهزة قياس الطيف يمكن أن تمثل خطوة كبيرة إلى الأمام في مجال التحليل الطيفي المدمج. ويمكن للأجهزة ذات الأسعار المعقولة والدقيقة للغاية أن تدعم أجهزة الاستشعار الذكية في التصنيع، ومراقبة جودة الأغذية في الوقت الحقيقي، والتحليل البيئي على نطاق واسع. تشمل تطبيقات الرعاية الصحية المحتملة مراقبة نسبة الماء في الدم، واكتشاف التسمم، وتتبع اللياقة البدنية، والمراقبة المستمرة للجلوكوز للأشخاص المصابين بالسكري.

وأضاف البروفيسور تشيكسيانج تشينج: “تتمثل رؤيتنا في جعل القياس الطيفي في كل مكان مثل استشعار درجة الحرارة أو الحركة”. “يُظهر هذا العمل أن المعلومات الطيفية عالية الجودة لا يجب أن تقتصر على المختبر، بل يمكن دمجها مباشرة في التقنيات التي يستخدمها الناس كل يوم.”

مع استمرار تقدم التقنيات الضوئية، يوضح مقياس الطيف التلافيفي كيف يمكن للنظرية الرياضية والابتكار الهندسي وتصميم النظام العملي أن يجتمعوا معًا لإنشاء جيل جديد من تقنيات الاستشعار.

المرجع: “المطياف التلافيفي البصري” بقلم Chunhui Yao، وJie Ma، وNingning Wang، وPeng Bao، وWei Zhuo، وTao Zhang، وWanlu Zhang، وKangning Xu، وTing Yan، وLiang Ming، وYuxiao Ye، وTawfique Hasan، وIan White، وRichard Penty، وQixiang Cheng، 15 أبريل 2026، الضوئيات الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41566-026-01891-6

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.