Mini spettrometro per smartphone

Configurazione di misurazione con prober per wafer, sonde in fibra ottica e wafer con strutture di prova. © Fraunhofer ENAS / Configurazione di misurazione con prober per wafer, sonde in fibra ottica e wafer con strutture di prova. © Fraunhofer ENAS

Riconoscere farmaci contraffatti? Esaminare campioni d'acqua autonomamente? Controllare la qualità dell'aria? Tutto ciò potrebbe essere possibile in futuro tramite uno smartphone – rapidamente, a basso costo e senza complicazioni. È reso possibile da uno spettrometro di soli un grammo del Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS, che in futuro potrebbe essere prodotto in massa con tecnologie chip convenzionali per circa un euro.

I farmaci sono talvolta molto più economici su Internet rispetto alle farmacie. Tuttavia, mentre nell'acquisto diretto sul posto ci si può affidare alla qualità dei medicinali, con le offerte online spesso rimane l'incertezza se ci sia il rischio di ricevere una contraffazione inefficace o con una composizione diversa. In futuro, si potrebbero risolvere rapidamente e facilmente queste questioni: con uno spettrometro a chip, che i ricercatori del Fraunhofer ENAS stanno attualmente sviluppando. »Il nostro spettrometro a infrarossi pesa circa un grammo e dovrebbe costare, in prospettiva, non più di un euro«, afferma il Dr. Alexander Weiß, responsabile di reparto presso il Fraunhofer ENAS. »Potrebbe essere integrato, ad esempio, negli smartphone.« Per confronto: finora gli spettrometri a infrarossi pesano alcuni chilogrammi e costano diverse migliaia di euro. Esistono già dispositivi portatili che sono un po' più leggeri, ma anche questi sono inadatti per il mercato di massa – sia per i costi e le dimensioni, sia per quanto riguarda l'uso e l'interpretazione dei risultati. Altre esigenze per poter competere sul mercato di massa sono: la tecnologia deve essere semplice da usare – cioè facile da maneggiare – e il metodo di produzione deve essere adatto alla produzione di massa.

Varie possibilità di applicazione

Le applicazioni possibili non si limitano alle contraffazioni di farmaci. »Il nostro spettrometro è interessante per molteplici ambiti – ad esempio per valutare il grado di maturazione di alimenti e mangimi o per analizzare la decomposizione microbica, misurare la qualità dell'aria in ambienti interni e veicoli per il controllo della climatizzazione o anche per rilevare sostanze inquinanti nell'aria, nell'acqua o nel cibo.« A tal fine, lo spettrometro – così come gli spettrometri a infrarossi convenzionali – emette raggi di luce nell'intervallo infrarosso. La luce di diverse lunghezze d'onda viene quindi suddivisa tramite un filtro regolabile e condotta a un rivelatore tramite un conduttore ottico integrato. I diffusori a reticolo con nanostrutture combinano la luce riflessa da una compressa da testare in conduttori ottici integrati. Se si vuole analizzare la qualità dell'aria, invece, la luce entra in una cella di assorbimento integrata in piano. Applicando un metodo per cui si registra quanta luce di quale lunghezza d'onda raggiunge il rivelatore, si ottiene uno spettro caratteristico che, come un'impronta digitale, varia da campione a campione. Una compressa contraffatta, con una composizione diversa, avrà quindi uno spettro diverso rispetto al medicinale originale.

Ma come è riuscito il team di ricercatori a ridurre così drasticamente la dimensione dello spettrometro, considerando che il funzionamento generale è simile? »Gli spettrometri convenzionali sono costituiti principalmente da componenti discreti più o meno integrati. Noi, invece, abbiamo integrato sia la guida della radiazione sia la divisione delle singole lunghezze d'onda e la rilevazione in un unico piano – per questo parliamo anche di uno spettrometro in-plane«, spiega Weiß.

Facile da usare, produzione a basso costo

Se in futuro lo spettrometro dovesse essere integrato in smartphone, non basta solo una dimensione compatta. Il sistema deve anche essere facile e intuitivo da usare e fornire all'utente analisi chiare. Anche qui i ricercatori hanno già una soluzione: algoritmi intelligenti e in grado di apprendere. »Se un gran numero di persone utilizza questa tecnologia, il sistema impara rapidamente«, dice Weiß. Per l'utente, ciò significa: prende il telefono, avvia lo spettrometro tramite un'app dedicata, lo tiene sopra una delle compresse e riceve anche una guida su come eseguire correttamente la misurazione. Lo spettrometro genera automaticamente lo spettro, e il software lo confronta con spettri di riferimento memorizzati in un database da personale specializzato. Più utenti usano il sistema, più aumentano le possibilità di confronto. All'utente viene mostrato solo il risultato, ad esempio »Medicinale originale«. Un altro punto critico sono i costi di produzione dello spettrometro. Anche questi sono stati presi in considerazione fin dall'inizio dal team di ricerca. »Abbiamo progettato lo spettrometro in modo che possa essere prodotto in massa con tecnologie microelettroniche convenzionali, a costi contenuti. I produttori possono direttamente applicare i processi standard delle grandi linee di produzione, le cosiddette FAB«, afferma Weiß.

I primi chip di spettrometro sono già stati prodotti, e il proof-of-concept è stato dimostrato. Ora sono in programma varie caratterizzazioni: le singole componenti si muovono come previsto? La luce che entra nel conduttore ottico viene trasmessa in modo sufficiente? Le apparecchiature necessarie per queste analisi sono state finanziate dalla Microelectronics Research Factory. Se queste verifiche andranno come sperato, lo spettrometro potrebbe arrivare sul mercato di massa in circa due anni.