In che modo l’elettronica può trasformare segnali luminosi estremamente deboli in informazioni utili per la ricerca scientifica? Ne parliamo con Giulia Acconcia, professoressa e ricercatrice presso il Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria del Politecnico di Milano, che sviluppa sensori elettronici e tecniche di analisi della luce in un ambito di ricerca al confine tra elettronica, fisica, meccanica quantistica e biologia.
“Mi occupo della rilevazione dei singoli fotoni, le particelle elementari associate alla luce. È un ambito che mette in relazione discipline diverse, dalla fisica alla meccanica quantistica, dall’elettronica alla biologia, e che offre possibilità molto interessanti in numerosi settori applicativi. La luce è uno strumento di indagine potente e non invasivo. Uno dei progetti su cui sto lavorando ha importanti implicazioni in ambito biologico e biomedico. Il progetto riguarda lo sviluppo di una tecnica che consente di ricostruire informazioni a partire da segnali luminosi estremamente deboli e molto rapidi. L’obiettivo è utilizzare queste informazioni per analizzare i tessuti biologici e contribuire a distinguere un tessuto sano da uno tumorale. Il principio alla base della ricerca è che, riuscendo a rilevare e analizzare i singoli fotoni, possiamo ottenere più informazioni utilizzando meno luce. Questo aspetto è particolarmente importante quando si lavora con campioni biologici: illuminarli intensamente può alterarne le caratteristiche o danneggiarli. Riuscire a ricavare informazioni significative da una quantità di luce molto ridotta permette quindi di migliorare le potenzialità delle tecniche di analisi, limitando al tempo stesso l’esposizione del campione. Questa è una delle direzioni principali della mia ricerca: sviluppare sensori elettronici capaci di rilevare i singoli fotoni e fornire informazioni precise sul segnale luminoso che ricevono”.
L’elettronica e la rilevazione dei singoli fotoni
Nelle applicazioni più avanzate è necessario rilevare il singolo fotone e capire anche quando arriva.
“Negli ultimi anni, i sensori in grado di rilevare singoli fotoni hanno conosciuto uno sviluppo straordinario. Un esempio è rappresentato dai sensori SPAD (Single-Photon Avalanche Diode). Fino a qualche anno fa, le matrici dei sensori SPAD erano oggetto di ricerca in ambiti specialistici e venivano utilizzate prevalentemente per applicazioni avanzate. Oggi, grazie ai progressi tecnologici, questi sensori possono essere realizzati con processi di fabbricazione sempre più affidabili e riproducibili. Le loro prestazioni hanno reso possibile l’integrazione di matrici di sensori SPAD anche negli smartphone più avanzati, dove contribuiscono a funzionalità come la misurazione della distanza e il rilevamento della profondità. Nel caso dell’analisi dei tessuti biologici, per esempio, il campione può emettere segnali luminosi molto deboli. Inoltre, non conta soltanto quanti fotoni vengono rilevati, ma anche come sono distribuiti nel tempo. Il profilo temporale del segnale può infatti contenere informazioni utili sulle caratteristiche del tessuto analizzato. Misurare con precisione questi intervalli temporali rappresenta una delle grandi sfide della mia ricerca, perché si lavora su scale dell’ordine dei picosecondi, cioè millesimi di miliardesimo di secondo”.
La professoressa Acconcia ha spiegato che il funzionamento dei sensori SPAD si basa sull’interazione tra il fotone e il materiale semiconduttore di cui è costituito il dispositivo. Quando un singolo fotone interagisce con il sensore, può innescare un processo di “moltiplicazione a valanga” delle cariche elettriche, generando un impulso di corrente rilevabile dal circuito elettronico.
“In questo modo, anche un singolo fotone può produrre un segnale elettrico che ci informa del suo arrivo. Il sensore viene predisposto in uno stato operativo in cui è sensibile ai singoli fotoni e, quando uno di questi viene rilevato, genera un impulso che può essere acquisito e analizzato. È un principio molto diverso da quello a cui siamo abituati pensando alle fotocamere tradizionali. Per scattare una fotografia in condizioni ordinarie, siamo abituati a considerare la luce come qualcosa che deve essere sufficientemente intensa da consentire di formare un’immagine. I sensori a singolo fotone, invece, permettono di rilevare segnali luminosi estremamente deboli e, in determinate condizioni, di acquisire informazioni utilizzando quantità di luce inferiori rispetto a quelle richieste dai sistemi di imaging convenzionali. Il passaggio fondamentale è proprio questo: l’interazione tra luce e materiale genera un segnale elettrico, che viene poi elaborato attraverso un circuito elettronico. La qualità delle informazioni che possiamo ottenere dipende quindi sia dalle caratteristiche del sensore sia dalla capacità dell’elettronica di acquisire, misurare e interpretare correttamente il segnale”.
Dalla biomedicina all’osservazione satellitare
Si tratta di applicazioni molto diverse tra loro, ma accomunate dallo stesso problema: ottenere informazioni affidabili da segnali luminosi estremamente deboli. È proprio in questo contesto che l’elettronica può fare la differenza.
“Attraverso tecniche ottiche basate sulla fluorescenza, per esempio, è possibile ottenere informazioni sulle caratteristiche di cellule e tessuti. La fluorescenza si verifica quando determinate sostanze assorbono luce e successivamente ne riemettono una parte, generalmente a una lunghezza d’onda diversa. Dall’analisi di queste emissioni è possibile ricavare informazioni sulle molecole presenti nel campione e sulle loro caratteristiche. In prospettiva, queste tecniche possono contribuire a distinguere cellule sane da cellule tumorali e a sviluppare strumenti di analisi sempre più sensibili e accurati. È importante sottolineare che la capacità di rilevare singoli fotoni non è sufficiente a identificare una cellula tumorale. Il risultato dipende, infatti, anche dalla tecnica ottica utilizzata, dai marcatori biologici, dalle caratteristiche del campione e dai metodi di elaborazione dei dati. Il contributo dell’elettronica consiste nel rendere possibile una misurazione più precisa del segnale luminoso, mettendo a disposizione dei ricercatori informazioni che altrimenti sarebbero difficili da acquisire. Le applicazioni, però, non si limitano alla biomedicina. Un altro ambito è quello delle comunicazioni a lunga distanza. Quando un segnale luminoso viene trasmesso su distanze molto grandi, una parte dei fotoni si disperde e al ricevitore può arrivare soltanto una quantità estremamente ridotta di luce. In queste condizioni, la capacità di rilevare singoli fotoni può diventare decisiva per recuperare l’informazione trasmessa. Un ulteriore settore è quello dell’osservazione satellitare dove la dispersione del segnale e le grandi distanze rendono fondamentale la possibilità di rilevare segnali luminosi deboli. Queste tecnologie possono essere utilizzate, per esempio, per studiare la struttura e le caratteristiche dell’atmosfera oppure per raccogliere informazioni sugli oceani”.
L’ingegnere elettronico e la risoluzione dei problemi
Il percorso dell’ingegnere elettronico che lavora in questo settore parte da solide basi matematiche e fisiche che sono indispensabili per comprendere i fenomeni su cui si fondano le tecnologie sviluppate. Successivamente ci si specializza nelle discipline elettroniche, che comprendono, per esempio, l’analisi e la trasmissione dei segnali, la progettazione di circuiti analogici e digitali e lo sviluppo di sistemi elettronici complessi. A queste si aggiunge la capacità di progettare strumentazione in grado di interfacciarsi con sistemi e ambiti applicativi differenti.
“L’ingegnere elettronico si trova spesso a operare proprio al confine tra lo sviluppo tecnologico e l’applicazione finale. Deve comprendere quale informazione serva agli specialisti del settore, individuare il modo più efficace per acquisirla e sviluppare gli strumenti necessari per elaborarla. È questa la parte che trovo più stimolante del mio lavoro: da un lato c’è una componente fortemente tecnica, legata alla progettazione e allo sviluppo dei sistemi elettronici, dall’altro c’è la possibilità di confrontarsi con realtà diverse e contribuire alla soluzione di problemi concreti. Durante gli studi si acquisisce soprattutto una forma mentis che consente di imparare a riconoscere un problema, scomporlo in domande più semplici e tradurlo in specifiche tecniche che possano essere affrontate attraverso una soluzione ingegneristica. Per esempio, non è necessario che l’ingegnere elettronico sappia eseguire direttamente tutte le analisi che un biologo utilizza per determinare la concentrazione di una proteina. Deve però comprendere quali informazioni siano necessarie al biologo, quali caratteristiche debba avere la misurazione e come tradurre queste esigenze in un sistema capace di acquisire ed elaborare correttamente il segnale. In questo senso, l’ingegnere elettronico è una figura che risolve problemi costruendo un collegamento tra una domanda scientifica e gli strumenti tecnologici necessari per rispondere”.
Un progetto europeo per superare i limiti delle tecniche di analisi
Il progetto a cui la professoressa Acconcia sta lavorando è un esempio del ruolo che può avere l’ingegneria elettronica quando viene applicata a problemi scientifici complessi.
“L’obiettivo è dimostrare che una tecnica di analisi dei segnali luminosi, rimasta per anni limitata da problemi di velocità, possa essere utilizzata anche nelle applicazioni più avanzate, comprese quelle legate all’analisi dei tessuti tumorali. Il problema non era semplicemente quello di rendere più veloci i dispositivi: era necessario riconsiderare il modo in cui le informazioni venivano acquisite e utilizzate. Ho avuto la possibilità di dimostrare che, cambiando prospettiva, era possibile applicare questa tecnica a velocità molto più elevate. Analizzando il processo di acquisizione, ho individuato una componente dell’informazione elettronica che non veniva considerata in modo adeguato e che, invece, era fondamentale per raggiungere le prestazioni desiderate. Questo risultato mostra quanto sia importante, nella ricerca elettronica, non fermarsi alle soluzioni già note, ma interrogarsi sul funzionamento complessivo del sistema. Talvolta, per superare un limite tecnologico, non è sufficiente migliorare un singolo componente: bisogna capire quali informazioni si stanno perdendo, come vengono rappresentate dal segnale e in che modo sia possibile recuperarle. Il progetto, da una parte permette di migliorare una tecnica di analisi con potenziali applicazioni biomediche e, dall’altra apre nuove prospettive per lo sviluppo di sistemi elettronici e per l’utilizzo della stessa tecnologia in altri contesti. L’ingegnere elettronico diventa così un anello di congiunzione tra la tecnologia e le sue applicazioni”.
