חוקרים פרצו דרך בפיתוח ספקטרומטר זעיר ובר-השגה העשוי מחתיכת זכוכית

שבב אופטי בגודל של ארבעה מילימטרים יחליף ספקטרומטר גדול בהרבה, ויאפשר זיהוי מיידי של חומרים כמו דגימות רפואיות, חומרי נפץ, זיהום אוויר ועוד

חוקרים מאוניברסיטת בן-גוריון בנגב ומאוניברסיטת סאות’המפטון שבאנגליה הגיעו לפריצת דרך בתחום המיקרו-שבבים האופטיים. הם חרטו מוליכי גל, ערוצים שבהם יזרום האור, על חתיכה של זכוכית מלוטשת, עם מולקולות שנמשכות למעגלים המיניאטוריים ברגע שהם נטענים בחמצן. לשבבים האופטיים החדשים האלה יש יישומים רבים מאוד בתחומי הביו-רפואה והתקשורת האופטית.

אחד מהיישומים הללו הוא ספקטרומטר בגודל של ארבעה מילימטרים בלבד, שיכול לספק תוצאות מיידיות. השבב מנתח מיד את המאפיינים הכימיים של החומר ומגלה את החתימה הייחודית שלו. החתימה היא התדירות הספציפית שבה הקשר הכימי יוצר תהודה כאשר עובר דרכו אור.

מכשירים כאלה יכולים להבדיל במיידיות בין וירוסים, לנתח כל חומר או לזהות מזהמי סביבה כמו זיהום אוויר ומים.

הספקטרומטרים הנוכחיים הם בדרך כלל גדולים פי כמה וכמה, ובבתי חולים הם דורשים טכנאי ייעודי שיעבור איתם מחדר לחדר. נוסף על כך, גדלי הדגימות הנדרשים הם גדולים כל כך, עד שתהליכים עדינים מסוימים לא יכלו להתבצע עד כה, שמא יפגעו בחולה. ד”ר אלינה קרבצ’בסקי מאוניברסיטת בן-גוריון בנגב, החוקרת הראשית, ועמיתה, פרופ’ אלכסיי קאווקין מאוניברסיטת סאות’המפטון, לא רק שיפרו מהותית את מנגנון הזיהוי, אלא איפשרו  למזער באופן ניכר את גודל דגימת החומר הנדרשת לביצוע הניתוח הכימי ולזיהוי תביעת אצבע של החומר.

הממצאים פורצי הדרך שלהם פורסמו לאחרונה בכתב העת היוקרתי Scientific Reports מקבוצת פירסום של Nature, הם הראשונים שהשתמשו בזכוכית פשוטה כבסיס לשבבים כאלה.

“השבב החדש שלנו יכול להיות בסיס לספקטרומטר לצד המיטה של כל חולה בכל בית חולים. האמצעים שאנחנו משתמשים בהם, זכוכית ואור, הם זולים ומצויים בשפע. טיפה אחת של דגימה על אחד ממוליכי הגל יכולה להיות מנותחת במהירות האור. למעשה, חתיכה אחת של זכוכית יכולה לנתח מספר חומרים בו-זמנית”, אומרת ד”ר קרבצ’בסקי.

יתר על כן, מוסיפה ד”ר קרבצ’בסקי, כעת יהיה אפשר לבצע תהליכים עדינים כמו ניתוח דגימה מריאות של תינוק חולה, שבו כל מה שצריך הוא דגימה מזערית. עד כה, תהליכים כאלה דרשו דגימה גדולה מדי, המסכנת את החולה.

יישומים נוספים כוללים ניתוח של חומרי נפץ חשודים בזמן אמת באמצעות מכשיר שמוחזק ביד, היא אומרת.

“יש כיוונים חדשים רבים שהעבודה הזו מעודדת אותנו לחקור: החל מפריצות דרך ביסודות האינטראקציה בין האור להרמוניקות (אוברטונים) מולקולאריות תחת קרינה חולפת על השבב, ועד למכשירים ממשיים כמו ספקטרומטרים וגלאי חלקיקים על שבב ומכשירי “רופא בכיס שלך”. כמו כן, העבודה הזו סוללת את הדרך ליישום רחב יותר של רכיבים פוטוניים משולבים אורגניים, כמו מסננים ומתגים בעלי יכולות גבוהות יותר, שיחוללו מהפכה בטכנולוגיה הפוטונית המשולבת, שמתבססת היום בעיקר על מוליכים למחצה,” אומרת קרבצ’בסקי.

ד”ר קרבצ’בסקי היא ראש קבוצת אור-על-שבב וחברה ביחידה להנדסת אלקטרואופטיקה ובמכון אילזה כץ למדע וטכנולוגיה בתחום הננומטרי באוניברסיטת בן-גוריון בנגב. פרופ’ קאווקין הוא ראש היחידה לננו-פיזיקה ופוטוניקה במחלקה לפיזיקה ואסטרונומיה באוניברסיטת סאות’המפטון.

למאמר