Immagini spettrali, che contengono più informazioni sul colore di quelle ottenibili con una tipica fotocamera, rivelano caratteristiche di tessuti e altri campioni biologici che non possono essere visti ad occhio nudo. Un nuovo dispositivo compatibile con smartphone che viene tenuto come una matita potrebbe rendere pratico l'acquisizione di immagini spettrali di oggetti di uso quotidiano e potrebbe eventualmente essere utilizzato per la diagnosi medica al punto di cura in località remote.

Le potenziali applicazioni del nuovo dispositivo includono il rilevamento della saturazione di ossigeno nel sangue di una persona, determinare la freschezza della carne in drogheria e identificare la frutta che è la perfetta maturazione. Lo spettrometro potrebbe anche facilitare l'acquisizione di dati spettrali sul campo per studi scientifici.

Nella rivista The Optical Society (OSA) Ottica biomedica Express , i ricercatori descrivono come realizzare il nuovo spettrometro a matita e dimostrano la sua capacità di acquisire immagini spettrali di banane, maiale e la mano di una persona. Il nuovo dispositivo è in grado di rilevare lunghezze d'onda da 400 a 676 nanometri a 186 punti contemporaneamente.

"Il modo più semplice per usare uno spettrometro è farlo ondeggiare sulla parte del corpo o dell'oggetto che si sta esaminando, " ha detto il primo autore Fuhong Cai, Università di Hainan, Cina. "Però, molti spettrometri portatili fatti in casa utilizzano una fotocamera per smartphone per acquisire dati e un supporto per telefono che contiene altre ottiche necessarie. La base può essere difficile da allineare correttamente e rende scomodo far oscillare lo smartphone sul corpo."

Invece di utilizzare la fotocamera di uno smartphone per acquisire immagini, il nuovo spettrometro utilizza una fotocamera a semiconduttore a ossido di metallo complementare (CMOS) disponibile in commercio che trasmette le immagini in modalità wireless a uno smartphone. Questo approccio ha permesso ai ricercatori di assemblare un dispositivo di imaging spettrale cilindrico del peso di soli 140 grammi (circa 5 once) che è circa la lunghezza di uno smartphone e poco più di 3 centimetri di diametro.

Utilizzo di componenti standard

Il nuovo spettrometro a matita utilizza tutti i componenti disponibili in commercio che possono essere acquistati per meno di $ 300 (US). La sorgente luminosa è un array di LED bianchi, che si collega a un tubo per lenti ottiche standard con il rilevatore CMOS e altri componenti ottici necessari per l'imaging spettrale.

Si può usare lo spettrometro a matita semplicemente spostandolo a mano attraverso l'area di destinazione. Questo processo di scansione manuale push-broom crea una serie di immagini spettrali che vengono inviate a uno smartphone o un computer in cui il software unisce le immagini spettrali in un cubo di dati dell'immagine spettrale 3D.

I ricercatori hanno testato lo spettrometro utilizzandolo per rilevare la maturazione della banana e i livelli di mioglobina, la proteina contenente ferro che conferisce alla carne il suo colore, in un pezzo di maiale. Lo usavano anche per scansionare la mano di una persona, ottenendo un video di 16 secondi contenente 200 immagini spettrali. Dalle immagini spettrali 3D, i ricercatori hanno potuto distinguere cinque dita e il palmo e hanno visto differenze nella distribuzione dell'emoglobina in varie parti della mano.

I ricercatori sono anche interessati a utilizzare il loro spettrometro di imaging compatto per il monitoraggio ambientale. "Stiamo sviluppando telecamere spettrali distribuite che potrebbero essere utilizzate per un'ampia gamma di rilevamenti oceanici, come rilevare la materia organica disciolta nell'acqua o i pigmenti che indicano i primi segni di fioriture algali dannose, " ha detto Cai. "Poiché lo spettrometro per immagini può collegarsi a qualsiasi tipo di fotocamera, stiamo anche esaminando l'idea di collegarlo alla telecamera di un veicolo autonomo per creare un sistema di rilevamento dell'oceano remoto".

Ottimizzazione del sistema

Sebbene l'utilizzo di componenti disponibili in commercio per realizzare il prototipo significhi che chiunque può assemblare il dispositivo, pone anche alcuni limiti alla risoluzione e alla sensibilità. Per esempio, il prototipo può risolvere solo lunghezze d'onda che differiscono di almeno 17 nanometri.

"Ci aspettiamo significativi miglioramenti della risoluzione spettrale in futuro utilizzando una fotocamera migliorata con un obiettivo a lunghezza focale lunga, " ha detto Dan Wang, Università di tecnologia chimica di Pechino, Cina, un membro del gruppo di ricerca. "Questi miglioramenti amplierebbero le applicazioni per il dispositivo".

I ricercatori hanno anche in programma di sviluppare un software per rendere ancora più utile l'imager spettrale. "Vogliamo sviluppare modi per utilizzare algoritmi di apprendimento automatico per analizzare le enormi quantità di dati che potrebbero essere raccolti con l'imager portatile per spettri, " disse Vela He, Università di Zhejiang, Cina, un membro del gruppo di ricerca. "Vogliamo anche creare un software per smartphone che utilizzi i dati di imaging spettrale per misurare la freschezza della carne, Per esempio."