Presto gli smartphone potrebbero avere uno spettrometro a infrarossi integrato

Foto di Fraunhofer ENAS.

Riconoscere medicinali contraffatti, controllare la qualità dell’aria, rilevare sostanze inquinanti in cibi e nell’ambiente, il tutto utilizzando il proprio smartphone: presto sarà possibile, grazie a uno spettrometro ad infrarossi ideato dai ricercatori del Fraunhofer Institute for Electronic Nano Systems (ENAS).

La facilità di produzione e il costo molto basso (meno di un euro per prodotto), rende lo spettrometro adatto alla produzione di massa, mentre il peso notevolmente inferiore rispetto ai spettrometri attualmente in commercio renderebbe possibile integrare il prodotto a uno smartphone.

Infatti, lo spettrometro sviluppato dal Fraunhofer ENAS pesa solamente un grammo. Contrariamente, gli spettrometri a infrarossi attualmente in commercio pesano diversi chilogrammi e costano migliaia di euro per la produzione. Anche se esistono dispositivi trasportabili di peso leggermente inferiore, sono inadatti al mercato di massa, in termini di costi, dimensioni e anche in termini di funzionamento e analisi dei risultati.

Come è stato possibile ridurre così notevolmente il peso del prodotto? A spiegarlo è Alexander Weiß, Head of Department, Multi Device Integration, dell’Istituto Fraunhofer ENAS.

“Gli spettrometri convenzionali di solito consistono di componenti distinti, più o meno ben integrati. Noi, invece, abbiamo integrato la guida del fascio, la divisione delle singole lunghezze d’onda e la funzione di rilevamento in un unico piano. Anche per questo, lo chiamiamo uno spettrometro a piano”, commenta.

A fronte di questa facilità di produzione e di commercializzazione, lo spettrometro si presta ad essere utilizzato in numerosi campi. Un grande vantaggio, per i consumatori e non solo, potrebbe venire dall’applicazione nel campo farmaceutico: lo spettrometro a infrarossi potrebbe essere utilizzato, infatti, per riconoscere i medicinali contraffatti che spesso vengono venduti online.

Ma non solo, le possibili applicazioni sono davvero numerose. “Il nostro spettrometro si presta a tutti i tipi di usi, come valutare la maturità o la decomposizione microbica degli alimenti per il consumo umano e animale, misurare la qualità dell’aria degli interni e dei veicoli per un controllo efficace del clima o rilevare gli inquinanti nell’aria, nell’acqua o nei prodotti alimentari”, spiega Weiß.

Proprio come gli spettrometri infrarossi convenzionali, questo spettrometro emette fasci di luce nella gamma dell’infrarosso. La luce di diverse lunghezze d’onda viene poi frammentata utilizzando un filtro sintonizzabile e condotta a un rivelatore per mezzo di guide d’onda integrate. Gli accoppiatori a griglia con nanostrutture raggruppano la luce riflessa da una pillola da testare, per esempio, in guide d’onda integrate.

Se si deve testare la qualità dell’aria, ad esempio, la luce entra invece in una speciale cella di assorbimento integrata in un piano. Se si traccia quanta luce raggiunge il rivelatore a quale lunghezza d’onda, si ottiene uno spettro caratteristico, che è diverso per ogni campione, simile a un’impronta digitale. Una pillola falsa, con ingredienti diversi, ha quindi uno spettro diverso da quello del farmaco originale.

Tuttavia, non è sufficiente che il dispositivo sia leggero e di piccole dimensioni per poterlo integrare a uno smartphone: per poterlo rendere davvero accessibile alla massa, il funzionamento deve essere facile e intuitivo e il sistema deve poi fornire all’utente delle valutazioni chiare.

Per rispondere a questa sfida, i ricercatori hanno puntato su algoritmi di apprendimento intelligente. Questo vuol dire che più persone utilizzeranno lo spettrometro e più la tecnologia diventerà precisa.

Ma come funzionerà, concretamente, lo spettrometro ad infrarossi integrato allo smartphone? “L’utente dovrà semplicemente avviare lo spettrometro tramite un’app speciale e tenere il telefono sopra una delle pillole. Un’istruzione li guiderà nel processo di misurazione. Lo spettro verrà generato automaticamente e il software lo confronta con gli spettri di riferimento inseriti in un database in precedenza da specialisti”, spiega Weiß.

L’utente vedrà solamente il risultato finale, quindi un messaggio con scritto, ad esempio, “medicinale originale” o “medicinale contraffatto”.

Il progetto nasce con l’idea di essere poi reso disponibile alla produzione di massa, quindi il basso costo di produzione era un requisito fondamentale per i ricercatori. “Abbiamo progettato lo spettrometro in un modo che sia possibile produrlo in massa in modo economico, usando tecnologie convenzionali di ingegneria dei microsistemi. I produttori possono usare i processi che sono standard sulle grandi linee di fabbricazione, in breve fabs”, spiega Weiß.

I ricercatori hanno già prodotto i primi chip dello spettrometro e fornito la prova del concetto. Ora dovranno analizzare tutta una serie di parametri come, ad esempio, il movimento dei singoli componenti, la trasmissione della luce che viene accoppiata nella guida d’onda e molto altro.

L’attrezzatura necessaria per queste analisi è stata finanziata dalla Research Fab Microelectronics Germany. Se queste indagini andranno come sperato, lo spettrometro potrebbe essere sulla strada del mercato di massa tra circa due anni.

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Michelle Crisantemi

Giornalista bilingue laureata presso la Kingston University di Londra. Da sempre appassionata di politica internazionale, ho vissuto, lavorato e studiato in Spagna, Regno Unito e Belgio, dove ho avuto diverse esperienze nella gestione di redazioni multimediali e nella correzione di contenuti per il Web. Nel 2018 ho lavorato come addetta stampa presso il Parlamento europeo, occupandomi di diritti umani e affari esteri. Rientrata in Italia nel 2019, ora scrivo prevalentemente di tecnologia e innovazione.

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