Un espectrómetro es un instrumento científico que se utiliza para separar y medir los componentes espectrales de un fenómeno físico. Espectrómetro es un término amplio que se usa a menudo para describir instrumentos que miden una variable continua de un fenómeno en el que los componentes espectrales están de alguna manera mezclados. En luz visible, un espectrómetro puede separar la luz blanca y medir bandas estrechas de color individuales, llamadas espectro.
Actualmente el uso del espectrómetro por lo científicos contempla un rango de estudios inmenso. Un estimado colega, ingeniero químico, nos comparte el presente artículo donde nos describe un extraordinario desarrollo del Fraunhofer Institute for Electronic Nano Systems ENAS: producir un espectrómetro para ser operando con un celular inteligente. El artículo en cuestión fue escrito por Fraunhofer-Gesellschaft el 1 de julio de 2021 en el boletín digital del Instituto y traducido por nosotros para este espacio. Veamos de qué se trata…
¿Requiere verificar usted mismo medicamentos falsos? ¿O quizá realizar muestras de agua? ¿O comprobar la calidad del aire? En un futuro no muy lejano, todo esto podrá ser posible utilizando un teléfono inteligente de una manera rápida, económica y sencilla. Así es, estos procesos van a ser posible gracias a un espectrómetro, que pesa solo un gramo, cuyo prototipo esta siendo desarrollado por Fraunhofer Institute for Electronic Nano Systems ENAS en Chemnitz, Alemania. El objetivo es producir en masa este componente por aproximadamente un euro utilizando tecnologías convencionales.
Los sitios web a veces ofrecen medicamentos a un precio mucho más bajo que las farmacias. Si bien podemos estar seguros de que los medicamentos que compramos en las tiendas locales son de la calidad que esperamos, las gangas en línea a menudo nos llevan a cuestionarnos si nos están dado una falsificación ineficaz o una composición diferente. En el futuro, podremos averiguarlo rápida y fácilmente: utilizando un espectrómetro de chip que están desarrollando actualmente los investigadores de Fraunhofer ENAS.
"Nuestro espectrómetro de infrarrojos pesa sólo alrededor de un gramo y planeamos que su producción cueste menos de un euro", dice el Dr. Alexander Weiß, jefe del Departamento de Integración de Dispositivos Múltiples en Fraunhofer ENAS. "Esto permitirá que se integre en teléfonos inteligentes, por ejemplo". A modo de comparación: en la actualidad, los espectrómetros infrarrojos pesan varios kilogramos y su producción cuesta miles de euros. Aunque existen dispositivos transportables que pesan un poco menos, no son adecuados para el mercado masivo, en términos de costo y tamaño, y también en términos de operación y análisis de resultados.
Otros requisitos cruciales para existir en el mercado masivo: La tecnología no debe ser demasiado compleja, en otras palabras, debe ser fácil de operar y el método de producción debe ser adecuado para el mercado masivo.
Varias aplicaciones
Las posibles aplicaciones no se limitan en modo alguno a los medicamentos falsificados. "Nuestro espectrómetro se presta a todo tipo de usos, como evaluar la madurez o descomposición microbiana de alimentos para consumo humano y animal, medir la calidad del aire de interiores y vehículos para un control climático eficaz o detectar contaminantes en el aire, el agua o los alimentos". Al igual que los espectrómetros infrarrojos convencionales, este espectrómetro lo hace emitiendo haces de luz en el rango infrarrojo.
Luego, la luz de diferentes longitudes de onda se fragmenta utilizando un filtro sintonizable y se conduce a un detector por medio de guías de onda integradas. Los acopladores de rejilla con nanoestructuras agrupan la luz reflejada por una píldora para ser probada, por ejemplo, en guías de ondas integradas. Si se va a probar la calidad del aire, la luz entra en una celda de absorción especial integrada en un plano. Si trazamos cuánta luz llega al detector en qué longitud de onda, obtenemos un espectro característico que es diferente para cada muestra, similar a una huella dactilar. Una píldora falsa, con diferentes ingredientes, por lo tanto, tiene un espectro diferente al del medicamento original.
Pero, ¿cómo logró el equipo de investigadores reducir el tamaño del espectrómetro de manera tan drástica y aun así lograr una funcionalidad general similar? "Los espectrómetros convencionales generalmente consisten en componentes discretos más o menos bien integrados.
Nosotros, por otro lado, integramos la guía del haz, la división de las longitudes de onda individuales y la función de detección en un plano; por lo tanto, también lo llamamos espectrómetro en plano, "explica Weiß.
Fácil de operar, económico de producir
Para que el espectrómetro pueda integrarse en teléfonos inteligentes, por ejemplo, tenemos que pensar en algo más que en el tamaño.
La operación debe ser fácil e intuitiva y el sistema debe proporcionar al usuario evaluaciones claras. Los investigadores ya han desarrollado un concepto: algoritmos de aprendizaje inteligentes. "Si mucha gente usa la tecnología, el sistema aprenderá rápidamente", dice Weiß. El usuario simplemente necesitará sacar su teléfono, iniciar el espectrómetro a través de una aplicación especial y sostenerlo sobre una de las píldoras. También verán una instrucción que los guiará a través del proceso de medición. El espectrómetro genera el espectro automáticamente y el software lo compara con los espectros de referencia ingresados en una base de datos por especialistas de antemano. Cuantas más personas utilicen el sistema, mayor será la posibilidad de realizar comparaciones. El usuario sólo ve el resultado, un letrero que diga "medicamento original", por ejemplo.
Otro punto crítico es el costo de producción del espectrómetro. Los investigadores también tuvieron esto en cuenta desde el principio. "Diseñamos el espectrómetro de una manera que permitiría producirlo en masa de manera económica utilizando tecnologías de ingeniería de microsistemas convencionales. Los fabricantes pueden utilizar los procesos que son estándar en las grandes líneas de fabricación, fabs para abreviar", explica Weiß. Los investigadores ya han producido los primeros chips de espectrómetro y han proporcionado una prueba de concepto. Ahora hay una serie de caracterizaciones diferentes en la agenda: ¿Se mueven los componentes individuales como queremos que lo hagan? ¿La luz acoplada a la guía de ondas se transmite como debería?
El equipo necesario para estas caracterizaciones ha sido financiado por Research Fab Microelectronics Germany. Si estas investigaciones salen como se esperaba, el espectrómetro podría estar en camino al mercado masivo en alrededor de dos años.
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