فريق من Cambridge يزيح الستار عن شريحة مقياس طيف منخفضة التكلفة للتشخيص وتحليل المواد

كامبريدج، إنجلترا — طور مهندسو بصريات في University of Cambridge، بالتعاون مع المشروع المنبثق عن الجامعة GlitterinTech، شريحة مصغرة لمقياس الطيف قادرة على مضاهاة دقة التحليل المخبري بتكلفة إنتاج تقديرية تبلغ نحو 10 دولارات. ويقلص هذا الإنجاز، الذي كُشف عنه في نتائج أوردها TOI Science Desk، بنية التحليل البصري التي تتطلب تقليديًا أجهزة مخبرية ضخمة وهشة إلى قالب شبه موصل بحجم يقل عن سنتيمتر واحد. ومن خلال الخفض الحاد للحواجز المتعلقة بالتكلفة والأبعاد في تحديد خصائص الامتصاص والانعكاس البصري، يمهد هذا التطور مسارًا تقنيًا لدمج الاستشعار الكيميائي المستمر في الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية القياسية، ولصاقات التشخيص القابلة للارتداء، وماسحات سلامة الأغذية، وأنظمة الفرز الصناعي.

## Key facts

- تعاون باحثون من University of Cambridge مع المؤسسة المنبثقة GlitterinTech لتصميم شريحة بصرية مدمجة لمقياس الطيف بسعر يقارب 10 دولارات للوحدة. - يحقق الجهاز دقة تحليلية تضاهي مقاييس الطيف المخبرية التقليدية التي تكلف عادةً آلاف الدولارات. - تشمل التطبيقات المستهدفة التحديد السريع للمواد البلاستيكية البوليمرية، والتحقق من صحة المركبات الدوائية، وفحص المنتجات الزراعية، والمراقبة الفسيولوجية غير الجراحية. - ينقل الجهاز أنظمة التشتت البصري والكواشف القياسية إلى نموذج الحالة الصلبة المصمم للتصنيع الدقيق القابل للتوسع. - صُمم هذا الابتكار لإتاحة دمجه المباشر في الأجهزة المحمولة الاستهلاكية، والملابس الذكية، وأدوات التشخيص البيئي الميدانية.

## What happened

يعد قياس الطيف أداة أساسية في مجالات التحليل الكيميائي والفيزياء والأبحاث البيولوجية. وتعمل هذه التقنية عبر تسليط إشعاع كهرومغناطيسي على عينة مستهدفة وقياس الأطوال الموجية التي يتم امتصاصها أو نقلها أو تشتيتها، ما يكشف عن بصمة كيميائية لا لبس فيها. وعلى مدى عقود، تطلب تحقيق دقة عالية ونطاق ديناميكي واسع مسارات بصرية طويلة، وشبكات حيود تمت معايرتها بدقة، ومرايا موازاة دقيقة، ومصفوفات كواشف ضوئية حساسة. وقد حصرت هذه المتطلبات قياس الطيف الموثوق به في المقام الأول داخل المختبرات التحليلية الأكاديمية والتجارية.

ووفقًا لما أورده TOI Science Desk، تمكن الفريق البحثي من University of Cambridge من ضغط هذه الوظائف البصرية في مساحة مدمجة على نطاق مجهري دون التأثير سلبًا على دقة القياس. وبالشراكة مع GlitterinTech، وهي شركة منبثقة من منظومة الأبحاث بالجامعة، صمم المهندسون بنية قادرة على إنتاج بيانات طيفية موثوقة مع الإبقاء على تكاليف التصنيع عند نحو 10 دولارات.

وأظهرت الاختبارات المعملية قدرة مقياس الطيف الدقيق على تمييز أنواع المواد المختلفة عبر مصفوفات اختبار معقدة. إذ نجح المستشعر في التفريق بين راتنجات البوليمر الشائعة في مجاري النفايات البلدية، وحلل تركيبات الأغذية للتأكد من نضارتها وخلوها من الغش، وتحقق من البصمات الكيميائية للمستحضرات الصيدلانية الجاهزة. والأهم من ذلك، أظهرت المنصة حساسية واستقرارًا كافيين لدعم التوصيف التشخيصي الطبي الحيوي، بما في ذلك التتبع غير الجراحي عبر الجلد للمؤشرات الحيوية الفسيولوجية.

## Why it matters

يمثل خفض تكلفة الأجهزة البصرية ذات الجودة المخبرية من عدة آلاف من الدولارات إلى سعر شريحة إلكترونية قياسية نقطة تحول هيكلية في مجالات التشخيص اللامركزي ومراقبة جودة المواد. ففي قطاع الصحة العالمية والطب السريري، لطالما واجهت التشخيصات قيودًا بسبب الاختناق اللوجستي المتمثل في المعالجة المركزية داخل المختبرات. فغالبًا ما تتطلب تحاليل الدم وتقييمات المؤشرات الحيوية وعمليات تدقيق جودة الأدوية أيامًا من النقل وساعات عمل لفنيين متخصصين. لكن مقياس طيف موثوقًا بقيمة 10 دولارات يغير تلك المعادلة الاقتصادية؛ إذ يتيح لعيادات الرعاية الأولية اللامركزية، والمستوصفات الريفية، ومرافق الرعاية المنزلية في البيئات شحيحة الموارد إجراء فحوصات فورية دون الحاجة إلى ميزانيات رأسمالية ضخمة.

وعلاوة على الطب المركزي، فإن الأجهزة الاستهلاكية القابلة للارتداء مهيأة لخوض تطور نوعي. إذ تقتصر الساعات الذكية وأجهزة تتبع اللياقة البدنية الاستهلاكية الحالية في الغالب على تقنية تخطيط التحجم الضوئي (PPG)، وهي تقنية بصرية تستخدم ثنائيات باعثة للضوء أساسية باللون الأخضر أو الأحمر أو تحت الأحمر لتتبع معدل ضربات القلب وتقدير تشبع الأكسجين الشرياني عبر قياس تغيرات حجم الأنسجة الناتجة عن النبض. ولا تستطيع هذه الأجهزة تحديد مركبات كيميائية أيضية محددة. أما دمج مقياس طيف فعلي عالي الدقة في شريحة بقيمة 10 دولارات فيوفر النطاق الترددي البصري اللازم لتتبع المؤشرات الحيوية الجزيئية عبر الجلد، مثل مسار جلوكوز الدم ومؤشرات الترطيب وتراكم اللاكتات ووجود الكحول، دون الحاجة لاختراق حاجز الجلد.

وفي لوجستيات سلاسل الإمداد والزراعة وإدارة النفايات، يمكن للقياس الطيفي واسع الانتشار أن يعالج إخفاقات تنظيمية حرجة. إذ يواجه قطاع إعادة تدوير البلاستيك العالمي صعوبات تتعلق بتلوث عمليات الفرز؛ فغالبًا ما تخفق مراكز الفرز الآلية في فصل الراتنجات غير المتوافقة كيميائيًا مثل بولي إيثيلين تيريفثاليت (PET) وبولي فينيل كلوريد (PVC) بسرعات عالية. ويمكن للماسحات المحمولة باليد التي تعمل بشرائح منخفضة التكلفة أن تتيح لمعالجي الخردة والمفتشين الميدانيين تصنيف البلاستيك فورًا. وبالمثل، تشكل المنتجات الدوائية المزيفة والمغشوشة تهديدًا يُقدَّر بمليارات الدولارات للصحة العامة في الأسواق الناشئة. وسيمكن للمفتشين الميدانيين المزودين بمجسات بصرية متصلة بالهواتف الذكية التحقق من سلامة عبوات الأدوية وشرائط الحبوب عند النقاط الحدودية أو على رفوف الصيدليات قبل صرفها للمرضى.

## The background

تعود الأجهزة الطيفية إلى اكتشافات جوزيف فون فرانهوفر وجوستاف كيرشوف في القرن التاسع عشر، حين أثبتا أن العناصر الذرية تبعث وتمتص ترددات ضوئية مميزة. وعلى مدى القرن التالي، تفرعت التقنية إلى عدة أنماط متباينة، تشمل امتصاص الأشعة فوق البنفسجية والمرئية (UV-Vis)، والأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR)، والأشعة تحت الحمراء المتوسطة (MIR)، ومطيافية رامان. وأصبح قياس الطيف بالأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR)، على وجه الخصوص، الركيزة الأساسية للفحص الصناعي والزراعة وتصنيع الأدوية، لأن ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة ينفذ جزئيًا عبر الأنسجة العضوية ومواد التغليف، مما يثير توافقيات الاهتزاز الجزيئي دون تدمير العينة.

ومع ذلك، اعتمدت مقاييس الطيف التقليدية للأشعة تحت الحمراء القريبة والضوء المرئي على البصريات الحجمية التقليدية. فالضوء الذي يدخل عبر شق بصري ينتقل عبر تجويف داخلي، ويرتد عن مرآة موازاة مقعرة، ويصطدم بشبكة حيود ميكانيكية أو محفورة لفصل الأطوال الموجية، ثم يتركز على مصفوفة من أجهزة اقتران الشحنة (CCD) أو كواشف ضوئية مصنوعة من زرنيخيد الإنديوم والغاليوم (InGaAs). ونظرًا لأن الدقة البصرية تتناسب طرديًا مع المسافة الفيزيائية التي يقطعها الضوء داخل الحجرة، فإن التصغير أدى حتمًا إلى انحرافات بصرية، وتداخل بين الأطوال الموجية، وانخفاض نسب الإشارة إلى الضوضاء.

وعلى مدار الأعوام الخمسة عشر الماضية، سعت فرق أكاديمية حول العالم إلى توظيف الضوئيات المتكاملة والتحليل الطيفي الحسابي لتجاوز حدود طول المسار الفيزيائي. وشملت المقاربات استخدام شرائح بلورية ضوئية مشتتة، ومصفوفات النقاط الكمومية، ومقاييس فابري-بيرو للتداخل القائمة على الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS)، والألياف الضوئية متعددة الأنماط المقترنة بخوارزميات التعلم الآلي القادرة على إعادة بناء الأطياف الواردة من أنماط بقع التداخل المعقدة. وبينما طرحت عدة شركات لتصنيع أشباه الموصلات، مثل Texas Instruments وams OSRAM، مستشعرات بصرية مصغرة في الأسواق، ظلت الوحدات التي توفر انتقائية طيفية حقيقية بمستوى المختبرات باهظة الثمن — إذ تبلغ مئات إلى آلاف الدولارات للوحدة — أو عانت من نطاقات طيفية ضيقة وانحراف حراري مرتفع.

ولطالما امتلكت University of Cambridge خبرة متخصصة في التصنيع النانوي، والإلكترونيات الدقيقة، والضوئيات المتقدمة، موزعة عبر أقسام تشمل Cavendish Laboratory وDepartment of Engineering. وتاريخيًا، كانت الشركات المنبثقة عن مجمع كامبريدج التكنولوجي، والمعروف باسم ظاهرة كامبريدج (Cambridge Phenomenon)، بمثابة الآلية الأساسية لتحويل محافظ براءات الاختراع بالجامعة إلى حلول تجارية في مجالات أشباه الموصلات والإلكترونيات البصرية.

## Reaction

لم يوثق الملخص البحثي الصادر عن TOI Science Desk أي ردود فعل خارجية من أطراف ثالثة أو تعليقات من الأقران عقب الإعلان. وفي الدورات النموذجية لنقل التكنولوجيا من هذا النوع، يعكف فيزيائيو البصريات المستقلون، ومصنعو الأجهزة الطبية، واتحادات القياس الصناعي على تقييم النتائج بمجرد نشر أوراق تقنية بيضاء شاملة وبيانات أداء خاضعة لمراجعة الأقران.

ومن المتوقع أن يركز محللو الصناعة ومراقبو سلاسل الإمداد تحديدًا على الادعاءات المتعلقة بالدقة المخبرية بتكلفة منخفضة للغاية للوحدة. ففي حين تحقق النماذج الأولية الأكاديمية غالبًا نتائج لافتة في ظل ظروف غرف الأبحاث الخاضعة لرقابة صارمة، سيسعى شركاء الدمج الصناعي إلى الحصول على إثباتات حول كيفية تحمل الشريحة لتغيرات درجات الحرارة المحيطة القصوى، والصدمات الميكانيكية، والتشويش البصري، وتفاوت الإنتاج من دفعة إلى أخرى، قبل الالتزام بدمجها في الهواتف الذكية الموجهة للأسواق الواسعة، أو الإلكترونيات الاستهلاكية، أو خطوط الأجهزة السريرية.

## What we don't know yet

لا تزال عدة معايير تقنية أساسية غير مؤكدة في الإعلان الأولي. إذ لا يحدد تقرير TOI Science Desk طيف الطول الموجي التشغيلي الدقيق لشريحة Cambridge-GlitterinTech — وتحديدًا ما إذا كانت تعمل حصريًا ضمن الطيف المرئي (400–700 نانومتر)، أو الأشعة تحت الحمراء القريبة (700–1100 نانومتر)، أو الأشعة تحت الحمراء ذات الموجات القصيرة الموسعة (SWIR، حتى 2500 نانومتر). وهذا التمييز حاسم للغاية؛ إذ يتطلب تحديد أنواع البلاستيك والهيدروكربونات وسواغات الأدوية عادةً تغطية نطاق SWIR، وهو نطاق طيفي يتطلب تقليديًا ركائز InGaAs مكلفة بدلًا من التصنيع القائم على السيليكون منخفض التكلفة.

علاوة على ذلك، لا تزال مقاييس الدقة التفصيلية، المقاسة بالعرض الكامل عند نصف الحد الأقصى (FWHM)، غير محددة، وكذلك الإنتاجية البصرية للجهاز ونسبة الإشارة إلى الضوضاء في البيئات الخارجية المحيطة غير المعزولة. ومن غير الواضح أيضًا ما إذا كان تقدير التكلفة البالغ 10 دولارات يمثل تكاليف التصنيع الحدية على مستوى الرقاقة في دورات الإنتاج التجاري ذات الحجم الكبير، أم أنه التكلفة الحالية لقائمة المواد لنماذج بحثية أولية منخفضة الإنتاج، والتي قد تستثني التغليف والمعايرة ومصادر الإضاءة المدمجة.

## What to watch

سيعتمد مسار الشريحة المطورة في Cambridge على عدة محطات تقنية قريبة المدى. وسيكون التطور الرئيسي الذي ينبغي تتبعه هو النشر الرسمي للدراسة الأساسية الخاضعة لمراجعة الأقران، والتي ستفصل البنية الفيزيائية — سواء كانت تعتمد على metasurfaces، أو مصفوفات المرشحات، أو خوارزميات إعادة البناء الحسابية — بالإضافة إلى حدود الكشف الكمية الخاصة بها.

ثانيًا، يتعين على مراقبي الصناعة متابعة الإجراءات التنظيمية وعمليات التشغيل التجريبية التي تنفذها GlitterinTech. ومن المرجح أن تتضمن مسارات التسويق التجاري اتفاقيات ترخيص مع الشركات المصنعة للمعدات الأصلية (OEMs) في مجالات الإلكترونيات الاستهلاكية أو أجهزة الاستشعار الخاصة بالسيارات. وإذا سعت الشركة الناشئة إلى دمج التقنية في الأجهزة الطبية القابلة للارتداء، فستخضع الشريحة في النهاية لتدقيق رسمي من جهات تنظيمية مثل Food and Drug Administration (FDA) الأمريكية وEuropean Medicines Agency (EMA)، مما يتطلب تجارب سريرية صارمة لإثبات أن القراءات الطيفية عبر الجلد تتطابق بدقة مع المعايير المرجعية لكيمياء الدم السريرية عبر درجات تلون بشرة مختلفة، ومستويات ترطيب، وحالات حركة متباينة.

يستند هذا التقرير إلى ما أورده TOI Science Desk.