Mini espectrómetro para smartphone

Configuración de medición con probador de obleas, sondas de fibra óptica y oblea con estructuras de prueba. © Fraunhofer ENAS / Configuración de medición con probador de obleas, sondas de fibra óptica y oblea con estructuras de prueba. © Fraunhofer ENAS

¿Detectar medicamentos falsificados? ¿Inspeccionar muestras de agua por uno mismo? ¿Verificar la calidad del aire? Todo esto podría ser posible en el futuro mediante un smartphone — de manera rápida, económica y sencilla. Lo hace posible un espectrómetro que pesa solo un gramo del Instituto Fraunhofer para Sistemas Nanos electrónicos ENAS, que en el futuro podría producirse en masa con tecnologías de chips convencionales por aproximadamente un euro.

Los medicamentos en internet a menudo son mucho más baratos que en las farmacias. Pero mientras que en la compra directa en el lugar uno puede confiar en la calidad de los medicamentos, en las ofertas en línea a menudo queda la incertidumbre de si no se ha entregado una falsificación ineficaz o con composición diferente. En el futuro, estas dudas podrían resolverse rápida y fácilmente: con un espectrómetro de chips que los investigadores del Fraunhofer ENAS están desarrollando actualmente. »Nuestro espectrómetro infrarrojo pesa solo alrededor de un gramo y, en perspectiva, costará no más de un euro«, dice el Dr. Alexander Weiß, jefe del departamento en el Fraunhofer ENAS. »Con ello, por ejemplo, podría integrarse en smartphones.« Para comparar: hasta ahora, los espectrómetros infrarrojos pesan varios kilogramos y cuestan varios miles de euros. Aunque ya existen dispositivos portátiles que pesan menos, estos también son inadecuados para el mercado masivo — tanto en términos de costo y tamaño como en facilidad de uso y análisis de resultados. Otros requisitos para poder competir en el mercado masivo: La tecnología debe ser sencilla — es decir, fácil de manejar — y el método de fabricación debe ser apto para producción en masa.

Amplias posibilidades de aplicación

Las posibles aplicaciones no se limitan a la detección de medicamentos falsificados. »Nuestro espectrómetro es interesante para muchas áreas de uso — por ejemplo, para evaluar alimentos y piensos en cuanto a su grado de maduración o descomposición microbiana, para medir la calidad del aire en interiores y vehículos para una climatización controlada, o para detectar contaminantes en aire, agua o alimentos.« Para ello, el espectrómetro — al igual que los espectrómetros infrarrojos convencionales — emite haces de luz en el rango infrarrojo. La luz de diferentes longitudes de onda se descompone mediante un filtro ajustable y se dirige a un detector mediante guías de onda integradas. Los acopladores de rejilla con nan Estructuras combinan la luz reflejada por una tableta a probar en guías de onda integradas. Si se quiere analizar la calidad del aire, en su lugar, la luz pasa a una célula de absorción especial integrada en plano. Al aplicar diferentes longitudes de onda y medir cuánto llega de luz al detector, se obtiene un espectro característico que, al igual que una huella digital, varía en cada muestra. Una tableta falsificada, con una composición diferente, tendrá un espectro distinto al del medicamento original.

Pero, ¿cómo logró el equipo de investigadores reducir tanto el tamaño del espectrómetro, cuando su funcionamiento general es similar? »Los espectrómetros convencionales suelen estar compuestos por componentes discretos más o menos bien integrados. Nosotros, en cambio, hemos integrado tanto la conducción de la radiación como la división de las diferentes longitudes de onda y la detección en un solo plano — por eso también hablamos de un espectrómetro en plano«, explica Weiß.

Fácil manejo, fabricación económica

Para que en el futuro el espectrómetro pueda integrarse, por ejemplo, en smartphones, no solo se requiere un tamaño reducido. Además, el sistema debe ser fácil e intuitivo de usar y ofrecer al usuario análisis claros. Aquí también los investigadores ya tienen un enfoque: algoritmos inteligentes y de aprendizaje. »Cuando muchas personas utilizan la tecnología, el sistema aprende rápidamente«, dice Weiß. Para el usuario, esto significa: saca su teléfono, inicia el espectrómetro mediante una app especial, lo acerca a una de las tabletas y recibe además instrucciones sobre cómo realizar correctamente la medición. El espectrómetro genera automáticamente el espectro, y el software lo compara con espectros de referencia almacenados en una base de datos por personal especializado. Cuantos más usuarios utilicen el sistema, mayores serán las posibilidades de comparación. Solo se muestra al usuario el resultado, por ejemplo, »Medicamento original«. Otro punto clave son los costos de fabricación del espectrómetro. También estos han sido considerados desde el principio por el equipo de investigadores. »Diseñamos el espectrómetro de manera que pueda producirse en masa de forma económica usando las tecnologías convencionales de microtecnología. Los fabricantes pueden aprovechar directamente los procesos que son estándar en las grandes líneas de producción, las llamadas FABs«, dice Weiß.

Los investigadores ya han fabricado los primeros chips de espectrómetro, y la prueba de concepto ha sido lograda. Ahora, se realizarán varias caracterizaciones: ¿Se mueven los componentes individuales como se desea? ¿Se transmite la luz que entra en las guías de onda en cantidad suficiente? El equipo necesario para estas caracterizaciones fue financiado por la fábrica de microelectrónica de investigación. Si estos estudios resultan como se espera, el espectrómetro podría llegar al mercado masivo en aproximadamente dos años.