Представьте себе, что вы знаете, какие ягоды или грибы безопасно есть во время похода, или быстро обнаруживаете болезнетворные микроорганизмы в условиях больницы, на выявление которых традиционно уходят дни. А теперь представьте себе все это, а также идентификацию и обнаружение лекарств, химических веществ и биологических молекул, невидимых человеческому глазу, — и все это с помощью инструмента на базе смартфона.

Спектрометрия по телефону

Доктор Питер Рентцепис, профессор кафедры электротехники и вычислительной техники Техасского университета A&M, разработал и запатентовал портативную систему, которая работает как рамановский спектрометр. Рамановский спектрометр работает, используя лазер для взаимодействия с молекулярными колебаниями внутри образца. Когда свет лазера попадает на молекулы, он рассеивается в разных направлениях. Большая часть этого света рассеивается упруго, то есть сохраняет ту же энергию. Однако небольшая часть рассеивается неупруго, то есть меняет уровни энергии, и это известно как комбинационное рассеяние. Рамановский спектрометр измеряет эти сдвиги энергии, чтобы получить молекулярный отпечаток вещества.

Система объединяет линзы, диодный лазер и дифракционную решетку — небольшую тонкую квадратную поверхность, рассеивающую свет. Он использует камеру мобильного телефона для записи спектра комбинационного рассеяния света. И он использует вычислительную мощность компьютера для определения химического состава и молекулярной структуры на основе этого спектра. По словам Рентцепи, он достаточно мал, чтобы положить его в карман, и особенно полезен, когда крупномасштабные спектрометры недоступны или слишком дороги в использовании.

Традиционные рамановские спектрометры дороги и стоят тысячи долларов. Напротив, изобретение Рентцеписа может быть произведено со значительно меньшими затратами и позволяет быстро идентифицировать материалы.

Простой в использовании

Пользоваться устройством просто. Смартфон размещается за пропускающей решеткой камерой, обращенной к решетке. Лазер направляет луч на образец неизвестного материала, например бактерии, на предметном стекле. Камера записывает спектр. А в сочетании с соответствующим телефонным приложением/базой данных этот портативный прибор может обеспечить быструю идентификацию материалов на месте.

Области применения портативного рамановского спектрометра обширны и разнообразны. В медицинской сфере это могло бы произвести революцию в диагностике, позволив быстро выявлять патогены в местах оказания медицинской помощи. Такая скорость может иметь решающее значение для борьбы со вспышками и предотвращения распространения инфекционных заболеваний. В науке об окружающей среде это устройство можно использовать для быстрого обнаружения загрязняющих веществ в воде или почве, что будет способствовать более быстрому реагированию на случаи загрязнения.

Эта возможность может быть особенно полезна в пострадавших от стихийных бедствий районах, где быстрая идентификация вредных веществ имеет важное значение для усилий по смягчению последствий. Вы даже можете использовать его в пищевой промышленности, чтобы оценить, безопасно ли что-либо употреблять в пищу и содержит ли какие-либо загрязняющие вещества. Фермеры и собиратели могли бы использовать это устройство для идентификации растений и грибов, различая съедобные и токсичные виды, тем самым предотвращая пищевые отравления.

Революция смартфонов

Кажется безумием, что вскоре у нас в карманах появятся спектрометры. Но, если немного уменьшить масштаб, разработка этого недорогого спектрометра является частью более широкой тенденции к созданию все более мощных устройств на базе смартфонов. По мере развития технологий возможности смартфонов выходят далеко за рамки общения, превращая их в мощные инструменты для научного анализа, мониторинга здоровья и измерения окружающей среды.

Например, микроскопы на базе смартфонов были разработаны для диагностики заболеваний в отдаленных местах. Эти устройства используют камеру телефона и дополнительные линзы для увеличения образцов, что позволяет медицинским работникам идентифицировать патогены в образцах крови или воды без необходимости использования громоздкого лабораторного оборудования. Аналогичным образом портативные устройства электрокардиограммы (ЭКГ), подключаемые к смартфонам, могут отслеживать сердечную деятельность, отправляя данные врачам в режиме реального времени. Эта технология особенно полезна для пациентов в сельской местности, поскольку предоставляет важные данные о состоянии здоровья без необходимости частых посещений больницы.

Мониторинг окружающей среды также стал свидетелем инноваций в устройствах на базе смартфонов. Портативные мониторы качества воздуха, подключаемые к смартфонам, могут измерять уровень загрязняющих веществ и предоставлять данные о качестве воздуха в режиме реального времени, помогая людям с респираторными заболеваниями более эффективно управлять своим здоровьем. Исследователи также разработали несколько других типов спектрометров на базе смартфонов.

Однако остается ряд проблем. Обеспечение точности и надежности этих портативных устройств имеет решающее значение для их широкого распространения. Разработка комплексных баз данных для идентификации материалов и удобных интерфейсов для неспециалистов также будет иметь важное значение для максимизации потенциала этих устройств.

Изобретение запатентовано и не опубликовано в рецензируемом журнале.