Miniatür Spektrometer a telefonhoz

Mérés felépítése wafer proberszel, optikai szálas próbákkal és tesztstruktúrákkal ellátott waferekkel. © Fraunhofer ENAS / Mérési felállás wafer proberszel, optikai szálas próbákkal és tesztstruktúrákkal ellátott waferekkel. © Fraunhofer ENAS

Hamis gyógyszerek felismerése? Vízminták saját magunk által történő vizsgálata? A levegő minőségének ellenőrzése? Mindez a jövőben okostelefon segítségével gyorsan, költséghatékonyan és egyszerűen lehetséges lehet – ezt egy mindössze egy gramm súlyú spektrométer teszi lehetővé a Fraunhofer Elektronikus Nanoszisztemek Intézetétől (ENAS), amely a hagyományos chiptechnológiák segítségével akár egy euróért tömegesen gyártható lesz a jövőben.

A gyógyszerek az interneten sokszor jóval olcsóbbak, mint a gyógyszertárakban. Míg a helyszíni közvetlen vásárlásnál megbízhatunk a gyógyszerek minőségében, az online akcióknál gyakran bizonytalan, hogy nem-e egy hatástalan vagy más összetételű hamisítványt adnak-e nekünk. A jövőben ezeket a kérdéseket gyorsan és egyszerűen lehetne tisztázni: egy chip-spektrométerrel, amelyet a Fraunhofer ENAS kutatói jelenleg fejlesztenek. „Infravörös spektrométerünk mindössze körülbelül egy gramm súlyú, és perspektivikus célként az árát nem fogja meghaladni egy eurónál,” mondja Dr. Alexander Weiß, a Fraunhofer ENAS osztályvezetője. „Ezt például be lehetne építeni okostelefonokba is.” Összehasonlításképpen: eddig az infravörös spektrométerek néhány kilogrammot nyomnak, és néhány ezer euróba kerülnek. Bár már léteznek hordozható készülékek, amelyek valamivel könnyebbek, ezek sem alkalmasak tömeggyártásra – sem költség, sem méret, sem pedig a kezelhetőség és az eredmények értékelése szempontjából. További követelmények a tömeggyártásban való alkalmazhatósághoz: a technológia összetettségének minimálisnak kell lennie – vagyis könnyen kezelhetőnek, valamint a gyártási folyamatnak alkalmasnak kell lennie a tömeggyártásra.

Sokféle alkalmazási lehetőség

Az alkalmazási lehetőségek egyáltalán nem korlátozódnak a gyógyszerek hamisításának felismerésére. „Spektrométerünk számos területen érdekes lehet – például az élelmiszerek és takarmányok érleltségi fokának vagy mikrobiális lebomlásának értékelésére, a beltéri és járművek levegőminőségének mérésére a szabályozott klímavezérlés érdekében, vagy akár a levegőben, vízben vagy élelmiszerekben található szennyező anyagok detektálására.” Ehhez a spektrométer – akárcsak a hagyományos infravörös spektrométerek – infravörös sugárzást bocsát ki. A különböző hullámhosszúságú fényt egy átszabható szűrő segítségével bontja szét, majd beépített hullámvezetőkön keresztül egy detektorhoz vezeti. A rácsos kötegelő nanostruktúrákkal például a vizsgált tablettáról visszaverődő fényt összegyűjtik az integrált hullámvezetők. Ha a levegő minőségét vizsgáljuk, akkor a fény egy speciális, síkban integrált abszorpciós cellába jut. Az adott hullámhossznál mennyi fény jut el a detektorhoz, az alapján egy jellemző spektrumot kapunk, amely minden mintánál egyedi, hasonlóan az ujjlenyomatokhoz. Egy hamisított tabletta, amely más összetételű, más spektrumot mutat, mint az eredeti gyógyszer.

De hogyan sikerült a kutatócsoportnak ilyen mértékben csökkenteni a spektrométer méretét, miközben az alapvető működési elv mégis hasonló maradt? „A hagyományos spektrométerek általában több, egymástól különálló, de egymással jól integrált alkatrészből állnak. Mi viszont mind a sugárzás irányítását, mind az egyes hullámhosszúságok szétválasztását és detektálását egy síkban integráltuk – ezért hívjuk ezeket inplane spektrométereknek,” magyarázza Weiß.

Egyszerű kezelhetőség, költséghatékony gyártás

Hogy a spektrométer a jövőben például okostelefonokba építhető legyen, nemcsak kis méretre van szükség. Emellett a rendszernek könnyen és intuitívan kezelhetőnek kell lennie, és a felhasználónak egyértelmű értékeléseket kell nyújtania. Itt is már van egy megközelítés: intelligens, tanuló algoritmusok. „Ha sok ember használja a technológiát, a rendszer gyorsan tanul,” mondja Weiß. Ez azt jelenti a felhasználó számára: előveszi a telefonját, elindítja a spektrométert egy speciális alkalmazáson keresztül, tartja valamelyik tabletta fölé, és kap egy útmutatást arra vonatkozóan, hogyan végezze el helyesen a mérést. A spektrométer automatikusan elkészíti a spektrumot, és a szoftver összehasonlítja azt a szakemberek által adatbázisban tárolt referencia spektrumokkal. Minél többen használják a rendszert, annál több összehasonlítási lehetőség áll rendelkezésre. A felhasználó csak az eredményt látja, például „Eredeti gyógyszer”. Egy másik fontos szempont a spektrométer gyártási költsége. Ezt is figyelembe vették a kutatócsoport kezdettől fogva. „Olyan spektrométert terveztünk, amely a hagyományos mikroszisztemtechnológiai gyártási folyamatok segítségével tömegesen költséghatékonyan gyártható,” mondja Weiß.

A kutatócsoport már gyártott első spektrométer-chipeket, a proof-of-conceptet sikerült megvalósítani. Most különböző jellemzéseket végeznek: a komponensek a kívánt módon mozognak-e? Az a fény, amelyet a hullámvezetőkbe vezetnek, elegendő mértékben halad-e tovább? Ezekhez a jellemzésekhez a kutatógyár finanszírozta a szükséges berendezéseket. Ha ezek a vizsgálatok sikerrel zárulnak, körülbelül két év múlva kerülhet a spektrométer a tömeggyártásba.