Alles meten met je smartphone

Onze infraroodspectrometer weegt slechts ongeveer een gram en we verwachten dat de productie ervan minder dan een euro zal kosten", zegt afdelingshoofd Alexander Weiß. "Hierdoor kan het bijvoorbeeld worden geïntegreerd in smartphones."

Momenteel wegen infraroodspectrometers enkele kilo’s en kosten ze duizenden euro’s om te produceren. Hoewel er wel verplaatsbare apparaten zijn die iets minder wegen, zijn ze ongeschikt voor de massamarkt – in termen van kosten en grootte, maar ook in termen van bediening en analyse van de resultaten. Andere vereisten die cruciaal zijn voor het bestaan ​​op de massamarkt: de technologie mag niet te complex zijn.

Diverse toepassingen

De mogelijke toepassingen zijn legio. "Onze spectrometer leent zich voor allerlei toepassingen – zoals het beoordelen van de rijpheid of microbiële afbraak van voedsel voor menselijke en dierlijke consumptie, het meten van de luchtkwaliteit van interieurs en voertuigen voor een effectieve klimaatbeheersing of het detecteren van verontreinigende stoffen in lucht, water of levensmiddelen."

Net als conventionele infraroodspectrometers doet deze spectrometer dit door lichtbundels uit te zenden in het infraroodbereik. Het licht van verschillende golflengten wordt vervolgens met behulp van een afstembaar filter gefragmenteerd en door middel van geïntegreerde golfgeleiders naar een detector geleid. Roosterkoppelaars met nanostructuren bundelen het licht dat bijvoorbeeld door een te testen pil wordt gereflecteerd tot geïntegreerde golfgeleiders. Als de luchtkwaliteit moet worden getest, komt het licht in plaats daarvan een speciale absorptiecel binnen die in één vlak is geïntegreerd. Als we uitzetten hoeveel licht de detector bij welke golflengte bereikt, krijgen we een karakteristiek spectrum dat voor elk monster anders is, vergelijkbaar met een vingerafdruk. Een neppil, met verschillende ingrediënten, heeft dus een ander spectrum dan het originele medicijn. 

Maar hoe slaagde het onderzoeksteam erin om de spectrometer zo drastisch te verkleinen en toch een vergelijkbare algemene functionaliteit te bereiken? "Conventionele spectrometers bestaan ​​meestal uit discrete, min of meer goed geïntegreerde componenten. Aan de andere kant hebben we de straalgeleiding, de splitsing van de afzonderlijke golflengten en de detectiefunctie in één vlak geïntegreerd – we noemen dit daarom ook een inplane-spectrometer", legt Weiß uit. 

Wil de spectrometer geïntegreerd kunnen worden in bijvoorbeeld smartphones, dan moeten we aan meer denken dan alleen het formaat. De bediening moet eenvoudig en intuïtief zijn en het systeem moet de gebruiker dan duidelijke evaluaties geven. De onderzoekers hebben al een concept ontwikkeld: Slimme leeralgoritmen. "Als veel mensen de technologie gebruiken, leert het systeem snel", zegt Weiß. De gebruiker hoeft alleen maar zijn telefoon te pakken, de spectrometer te starten via een speciale app en deze boven een van de pillen te houden. Ze zien ook een instructie die hen door het meetproces leidt. De spectrometer genereert het spectrum automatisch en de software vergelijkt het met referentiespectra die vooraf door specialisten in een database zijn ingevoerd. Hoe meer mensen het systeem komen gebruiken, hoe groter de mogelijkheid om vergelijkingen te maken. De gebruiker ziet alleen het resultaat, bijvoorbeeld ‘originele medicijn’.

Een ander knelpunt zijn de kosten van het produceren van de spectrometer. Dat hadden de onderzoekers ook vanaf het begin voor ogen. "We hebben de spectrometer zo ontworpen dat hij goedkoop in massaproductie kan worden geproduceerd met behulp van conventionele microsysteemtechnologieën. Fabrikanten kunnen de processen gebruiken die standaard zijn op de grote fabricagelijnen, kortweg fabs", zegt Weiß.

De onderzoekers hebben al de eerste spectrometerchips geproduceerd en proof of concept geleverd. Een aantal verschillende karakteriseringen staan nu op de agenda: Bewegen de afzonderlijke componenten zoals we willen? Wordt het licht dat in de golfgeleider is gekoppeld doorgelaten zoals het hoort? De apparatuur die nodig is voor deze karakteriseringen is gefinancierd door de Research Fab Microelectronics Germany. Als deze onderzoeken verlopen zoals gehoopt, zou de spectrometer over ongeveer twee jaar op weg kunnen zijn naar de massamarkt. Dat is dan ogeveer tegelijk met de micro-spectrometer die de TU/e begin 2018 introduceerde.