Con la pandemia abbiamo tutti acquisito maggiore familiarità con attrezzature mediche che prima non conoscevamo: termometri ad infrarossi, sterilizzatori a UV e altro. Tra questi è diventato sempre più frequente l’uso di una clip di plastica luminosa attorno al dito. Questa clip è un saturimetro che calcola il livello di ossigeno nel sangue. Ma come funziona esattamente? Qual è la tecnologia che permette questa misurazione e quali altre cose può fare?
La fotonica è una scienza appartenente all’ottica che studia la luce e la propagazione dei fotoni attraverso i corpi traslucidi. Il corpo umano è traslucido, cioè non blocca né riflette la luce. Ciò vuol dire che parte della luce riesce ad attraversare pelle, muscoli e vasi sanguigni e uscire dall’altro lato. Questa semplice proprietà si è poi utilizzata per l’esplorazione interna dei corpi senza alcun tipo di invasione.
Tornando all’esempio del saturimetro, questo è capace di misurare il rapporto tra emoglobina ossigenata e non ossigenata grazie ad una luce LED rossa che si trova su un lato della clip e ad un rilevatore di luce che si trova sull'altro lato. Quando la luce del LED attraversa il dito questi incontra l'emoglobina nel sangue. Ora, l’emoglobina non ossigenata assorbe la luce rossa in misura superiore rispetto a quella ossigenata. La quantità di luce che riesce ad attraversare il dito dipende dunque dalla proporzione tra questi due tipi di emoglobina. Si possono, in tal senso, utilizzare diverse lunghezze d’onda, come gli infrarossi, che si trovano appena al di sotto di quelle dei colori visibili. L'efficienza di assorbimento delle molecole, emoglobina inclusa, varia col variare della lunghezza d'onda della luce. Per questo motivo, confrontare l'assorbimento della luce visibile con gli infrarossi può fornire una stima più precisa.
L'emergente industria dei sensori sta studiando nuovi metodi di stima sempre più precisi e meno invasivi, non solo per calcolare la saturazione del sangue ma anche al fine della mappatura dei vasi sanguigni e della profilazione di tumori. La grande innovazione dell'utilizzo della fotonica nel campo della medicina sta proprio nella capacità di inferenza, cioè la possibilità di poter usare un semplice campione di saliva o sudore per la diagnosi di determinate malattie.
La saliva umana, in particolare, rispecchia la composizione degli ormoni e delle proteine del corpo e può segnalare precocemente la presenza di alcuni tipi di tumori e malattie infettive o autoimmuni, tra cui il cancro alla prostata, la sarcoidosi e tutta una serie di infezioni virali.
L’esplorazione del nostro corpo traslucido attraverso impulsi di luce è un’altra possibilità; gli impulsi di luce, simili a dei flash, vengono proiettati su un’area specifica. Quando raggiungono un corpo, questi impulsi agiscono come delle percussioni; colpendo le molecole delle cellule le fanno vibrare, queste vibrazioni vengono registrate e poi paragonate con le vibrazioni prodotte da altri materiali (ogni materiale ha una frequenza di vibrazione propria). Questo studio è preciso e non invasivo e permette di ottenere la composizione chimica di un tessuto e comprendere se il tessuto sia sano oppure no.
Rispetto ad altri metodi, le applicazioni della fotonica, hanno il pregio di utilizzare le ‘piste fotoniche’. Così come per l’elettricità, che necessita di un cavo conduttore per far passare degli elettroni, le piste fotoniche sono delle fibre ottiche per il trasporto di fotoni. I fotoni viaggiano alla stessa velocità della luce e data l’assenza di massa dei fotoni rispetto agli elettroni, il loro trasporto non comporta la dispersione del calore, con un conseguente risparmio in termini di tempo ed energia.
La fotonica non sta solo apportando innovazione nel settore della medicina ma anche in numerosi altri ambiti. In informatica, i processori tradizionali, chip contenenti innumerevoli piste elettriche sulle quali corrono gli elettroni, potrebbero essere sostituiti da processori fotonici semplicemente sostituendo gli elettroni con i fotoni (e riducendo il rischio di surriscaldamento del computer). In agricoltura, la fotonica viene utilizzata per monitorare lo stato dei terreni o per la raccolta delle derrate al culmine della loro potenza nutrizionale. Questo è possibile grazie allo studio della luce nel momento subito successivo all'impatto con l’ostacolo che incontra; quando un fascio luminoso colpisce un oggetto, una parte viene assorbita e una parte riflessa. Studiando la parte riflessa a diverse frequenze è possibile raccogliere informazioni sulle caratteristiche chimiche (grado di idratazione, quantità di zuccheri ed amminoacidi) e fisiche dell’oggetto. Nel settore dell'automotive, la luce viene utilizzata come sensore per vedere attraverso la nebbia o attorno alla macchina (molto simile alla tecnologia dei radar dei pipistrelli e delle navi, ma al posto del suono viene utilizzato il riflesso della luce).
Per concludere, la fotonica promette di essere al centro delle nuove innovazioni del prossimo futuro, sia in ambito tecnologico che medico, agricolo ed industriale. I principali paesi che stanno ora eseguendo ricerche in questa direzione sono Cina ed Europa. Si prevede un valore economico attorno ai 405 miliardi di dollari e una crescita di posti di lavoro attorno ai 20mila annui.
a cura di Andrea Radelli
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