Technologie

Miniatur-Spektrometer fürs Smartphone

01.07.2021 - Kleines und günstiges Infrarot-Modul soll gefälschte Arzneien erkennen können.

Im Internet werden mitunter unwirksame und gefälschte Arzneien angeboten. Mit einem Chip-Spektrometer, das Forschende am Fraunhofer-Institut für Elek­tronische Nanosysteme ENAS in Chemnitz derzeit entwickeln, könnten diese Fälschungen entlarvt werden. „Unser Infrarot-Spektro­meter wiegt nur etwa ein Gramm und soll perspektivisch nicht mehr kosten als einen Euro“, sagt Abteilungs­leiter Alexander Weiß. „Damit ließe es sich beispielsweise in Smartphones integrieren.“ Zum Vergleich: Bisher wiegen Infrarot-Spektro­meter einige Kilogramm, die Kosten liegen bei einigen Tausend Euro. Zwar gibt es bereits trans­portable Geräte, die etwas weniger auf die Waage bringen. Doch auch diese sind für den Massenmarkt ungeeignet – sowohl hin­sichtlich der Kosten und der Größe als auch, was die Bedienung und Auswertung der Ergebnisse angeht.

Weitere Anforderungen, um auf dem Massenmarkt bestehen zu können: Die Komplexität der Technologie muss gering sein und die Herstellungsweise sich für den Massenmarkt eignen. Die möglichen Anwendungen sind keineswegs auf Medikamenten­fälschungen beschränkt. „Unser Spektrometer ist für allerhand Einsatz­bereiche interessant – etwa um Nahrungs- und Futter­mittel hinsichtlich des Reifgrades oder mikrobielle Zerset­zungen zu beurteilen, die Luftqualität in Innenräumen und Fahrzeugen zur gesteuerten Klima­tisierung zu messen oder auch Schadstoffe in Luft, Wasser oder Nahrung zu detektieren.“ Dazu sendet das Spektro­meter Licht­strahlen im Infrarot­bereich aus. Das Licht verschiedener Wellenlängen wird dann mittels eines durchstimm­baren Filters zerlegt und mittels integrierter Wellenleiter zu einem Detektor geführt. Gitterkoppler mit Nano­strukturen bündeln dabei etwa das von einer zu testenden Tablette reflektierte Licht in inte­grierten Wellenleitern. Soll die Luftqualität untersucht werden, gelangt stattdessen das Licht in eine spezielle in der Ebene integrierte Absorptions­zelle. Trägt man auf, bei welcher Wellenlänge wie viel Licht zum Detektor gelangt, erhält man ein charak­teristisches Spektrum, das ähnlich wie ein Fingerabdruck bei jeder Probe unter­schiedlich ist. Eine gefälschte Tablette, die sich anders zusammen­setzt, hat also ein anderes Spektrum als das Original­medikament.

„Herkömmliche Spektrometer bestehen meist aus diskreten mehr oder weniger gut inte­grierten Komponenten. Wir haben dagegen sowohl die Führung der Strahlung als auch die Spaltung der einzelnen Wellen­längen und die Detektion in einer Ebene integriert – wir sprechen daher auch von einem Inplane-Spektro­meter“, erläutert Weiß. Soll das Spektro­meter künftig beispielsweise in Smartphones integriert werden können, ist allerdings nicht nur eine kleine Baugröße gefragt. Zudem muss sich das System einfach und intuitiv bedienen lassen und dem Nutzer anschließend klare Auswertungen vorlegen. Auch hier haben die Forscher bereits einen Ansatz: Intelli­gente, lernende Algorithmen. „Setzt eine große Menge von Menschen die Technologie ein, lernt das System schnell dazu“, sagt Weiß. Für den Anwender heißt das: Er zückt sein Handy, startet das Spektrometer über eine spezielle App, hält es über eine der Tabletten und bekommt zusätzlich eine Handlungs­anleitung, wie die Messung korrekt durchgeführt wird. Das Spektrometer erstellt automatisch das Spektrum, und die Software vergleicht es mit Vergleichs­spektren, die durch Fachpersonal in einer Datenbank hinterlegt wurden. Je mehr Nutzer das System verwenden, desto größer werden die Vergleichs­möglichkeiten. Dem Nutzer wird nur das Ergebnis angezeigt.

Ein weiterer Knackpunkt sind die Herstellungs­kosten des Spektrometers. „Wir haben das Spektrometer so entworfen, dass es sich über die herkömm­lichen Technologien der Mikrosystem­technik in Massenfertigung kostengünstig produzieren lässt. Hersteller können direkt auf die Prozesse setzen, die bei den großen Fabrikations­linien Standard sind“, sagt Weiß. Erste Spektro­meter-Chips haben die Forscher bereits hergestellt, der Proof-of-Concept ist erbracht. Nun stehen verschiedene Charak­terisierungen auf dem Programm: Bewegen sich die einzelnen Komponenten wie gewünscht? Wird das Licht, das in die Wellen­leiter eingekoppelt wird, in ausreichendem Maß weitergeleitet? Laufen die Unter­suchungen wie erhofft, könnte das Spektro­meter in etwa zwei Jahren den Weg in den Massenmarkt finden.

FhG / JOL

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