Исследователи из Кембриджского университета и стартапа GlitterinTech разработали новый оптический сенсор стоимостью около $10, который по точности не уступает лабораторному оборудованию. Компактный прибор размером в несколько сантиметров может быть встроен в носимую электронику, что в перспективе позволит измерять уровень глюкозы в крови без прокола кожи, а также найдёт применение в контроле качества продуктов, промышленности и мониторинге окружающей среды.
Оптические спектрометры анализируют свет, чтобы получить информацию о веществах, с которыми он взаимодействует. Это незаменимые инструменты в медицине, производстве и научных исследованиях. Однако при уменьшении размера этих приборов обычно страдает их точность, разрешение или диапазон измерений. Новая разработка, названная конволюционным спектрометром, решает эту проблему благодаря принципиально иному математическому подходу к анализу света.
Вместо того чтобы разделять свет на составляющие его волны, устройство напрямую применяет к световому потоку математическую операцию свёртки. Для этого исследователи последовательно расположили оптические компоненты с повторяющимися спектральными характеристиками. Их взаимная настройка позволяет контролируемо сдвигать реакцию системы на разные длины волн, а для точного восстановления спектра используются быстрые преобразования Фурье. Такой подход обеспечивает высокую точность и устойчивость к помехам при низких вычислительных затратах.
Прототип построен на кремний-нитридной фотонной платформе, работает в ближнем инфракрасном диапазоне (1200–1700 нм) и обрабатывает измерения менее чем за секунду. В ходе тестов спектрометр со 100-процентной точностью определил различные материалы, включая пластик, фармацевтические препараты и продукты питания. При измерении концентраций веществ в растворах он показал точность около 0,01%, превзойдя в этих экспериментах показатели коммерческих настольных аналогов.
Наиболее перспективные результаты были получены в ходе биомедицинских тестов. Прибор точно измерил влажность кожи, а также концентрацию алкоголя, лактата и глюкозы в крови в условиях, имитирующих физиологическую среду. В одном из опытов удалось отслеживать уровень глюкозы у участника неинвазивно в течение длительного времени. Хотя технология требует дальнейших испытаний для медицинского применения, она указывает на возможность создания носимых глюкометров, не требующих прокола кожи.
Сенсор также показал высокую устойчивость к перепадам температур, стабильно работая в диапазоне от –20°C до 80°C. Эта характеристика важна для носимых гаджетов, промышленного оборудования и уличных датчиков. Упрощённая архитектура прибора требует меньше вычислительных ресурсов для анализа данных и облегчает его массовое производство.
По замыслу разработчиков, в будущем точные оптические датчики могут стать такой же привычной частью технологий, как сенсоры температуры или движения. Их можно будет встраивать в производственные линии для непрерывного контроля качества, использовать для проверки свежести продуктов или интегрировать в фитнес-браслеты для мониторинга состояния организма.
