Miniaturní spektrometr pro smartphone

Měření s použitím waferového proberu, optických vláknových sond a waferu s testovacími strukturami. © Fraunhofer ENAS / Měřící zařízení s waferovým proberem, optickými vláknovými sondami a waferem s testovacími strukturami. © Fraunhofer ENAS

Odhalit padělané léky? Vyšetřit vzorky vody sami? Zkontrolovat kvalitu ovzduší? Všechny tyto věci by mohly být v budoucnu možné pomocí chytrého telefonu – rychle, levně a jednoduše. Umožní to spektrometr o hmotnosti pouhého jednoho gramu od Fraunhoferova ústavu pro elektronické nanosystémy ENAS, který by se v budoucnu mohl vyrábět masově pomocí běžných čipových technologií za přibližně jeden euro.

Léky jsou na internetu někdy výrazně levnější než v lékárnách. Zatímco při přímém nákupu na místě se můžete spolehnout na kvalitu léků, u online nákupů často zůstává nejistota, zda vám nebyla prodána neúčinná nebo jinak složená padělaná dávka. V budoucnu by takové otázky mohly být rychle a jednoduše zodpovězeny: pomocí čipového spektrometru, který právě vyvíjejí vědci z Fraunhofer ENAS. „Náš infračervený spektrometr váží jen asi jeden gram a v budoucnu by neměl stát víc než jeden euro,“ říká Dr. Alexander Weiß, vedoucí oddělení v Fraunhofer ENAS. „To by například umožnilo jeho integraci do chytrých telefonů.“ Pro srovnání: dosud váží infračervené spektrometry několik kilogramů a jejich cena je několik tisíc eur. Existují sice již přenosná zařízení, která jsou o něco lehčí, ale i ta jsou nevhodná pro masový trh – jak z hlediska nákladů a velikosti, tak z hlediska obsluhy a vyhodnocování výsledků. Další požadavky pro úspěšné působení na masovém trhu jsou: složitost technologie musí být nízká – tedy musí být snadno ovladatelná – a výrobní proces musí být vhodný pro masovou výrobu.

Různé možnosti využití

Možnosti použití nejsou nijak omezené pouze na padělky léků. „Náš spektrometr je zajímavý pro různé oblasti – například pro posuzování zralosti potravin a krmiv nebo mikrobiálního rozkladu, měření kvality ovzduší v interiérech a vozidlech pro řízenou klimatizaci nebo detekci škodlivin ve vzduchu, vodě či potravinách.“ K tomu vysílá spektrometr – stejně jako běžné infračervené spektrometry – světelné paprsky v infračervené oblasti. Světlo různých vlnových délek je pak rozloženo pomocí nastavitelného filtru a vedené pomocí integrovaných vlnovodů k detektoru. Mřížkový koppler s nanostrukturami spojuje například světlo od testované tablety, které se od ní odráží, do integrovaných vlnovodů. Pokud se má zkoumat kvalita vzduchu, světlo místo toho vstupuje do speciálního absorpčního článku integrovaného v rovině. Pokud se na povrch aplikuje, jaké množství světla při jaké vlnové délce dopadá na detektor, vznikne charakteristické spektrum, které je podobné otisku prstu – u každé vzorky je jiné. Padělaná tableta, složená jinak, má tedy jiné spektrum než originální lék.

Jak se však vědeckému týmu podařilo tak výrazně zmenšit velikost spektrometru, když jeho základní funkce jsou podobné? „Běžné spektrometry se většinou skládají z jednotlivých, méně či více dobře integrovaných komponent. My jsme však integrovali jak vedení záření, tak rozdělení jednotlivých vlnových délek a detekci do jedné roviny – proto mluvíme také o in-plane spektrometru,“ vysvětluje Weiß.

Jednoduché ovládání, levná výroba

Pokud má být spektrometr v budoucnu například integrován do chytrých telefonů, nestačí jen malá velikost. Systém musí být také snadno a intuitivně ovladatelný a uživateli musí poskytovat jasné vyhodnocení. I zde již vědci přišli s řešením: inteligentní, učící se algoritmy. „Pokud velké množství lidí technologii používá, systém se rychle učí,“ říká Weiß. Pro uživatele to znamená: vezme telefon, spustí spektrometr přes speciální aplikaci, přiloží ho k jedné ze tablet a dostane navíc návod, jak správně měřit. Spektrometr automaticky vytvoří spektrum a software jej porovná s referenčními spektry uloženými v databázi odborníky. Čím více uživatelů systém používá, tím více je možné porovnávat. Uživatel vidí pouze výsledek, například „Originální lék“. Dalším problémem jsou výrobní náklady spektrometru. I ty má vědecký tým od začátku na paměti. „Navrhli jsme spektrometr tak, aby se dal levně vyrábět masovou výrobou pomocí běžných technologií mikrosystémové techniky. Výrobci mohou přímo využívat procesy, které jsou standardní u velkých výrobních linek, tzv. FABs,“ říká Weiß.

První spektrometrické čipy již vědci vyrobili, dokázali tak ověřit koncept. Nyní je na programu několik charakterizací: jsou jednotlivé komponenty v požadovaném rozmezí? Přenáší světlo, které je do vlnovodů vkládáno, dostatečně? Zařízení pro tyto charakterizace bylo financováno z prostředků Výzkumné továrny mikroelektroniky. Pokud tyto testy dopadnou podle očekávání, mohl by se spektrometr za zhruba dva roky dostat na masový trh.