Miniatuur-spectrometer voor de smartphone

Meetopstelling met waferprober, optische vezelprobes en wafer met teststructuren. © Fraunhofer ENAS / Meetopstelling met waferprober, optische vezelprobes en wafer met teststructuren. © Fraunhofer ENAS

Vervalsing van medicijnen opsporen? Watermonsters zelf testen? De luchtkwaliteit controleren? Al dat alles zou in de toekomst mogelijk kunnen zijn via een smartphone – snel, kosteneffectief en eenvoudig. Mogelijk wordt dit gemaakt door een spectrometer van slechts één gram van het Fraunhofer-instituut voor Elektronische Nanosystemen ENAS, dat in de toekomst via conventionele chiptechnologieën voor ongeveer één euro in massa geproduceerd kan worden.

Medicijnen zijn online soms aanzienlijk goedkoper dan in apotheken. Maar terwijl je bij directe aankoop ter plaatse op de kwaliteit van de medicijnen kunt vertrouwen, blijft bij online koop vaak de onzekerheid of je niet toch een ineffectieve of anders samengestelde vervalsing hebt gekregen. In de toekomst zou je dergelijke vragen snel en eenvoudig kunnen beantwoorden: met een chip-spectrometer dat onderzoekers van het Fraunhofer ENAS momenteel ontwikkelen. »Ons infraroodspectrometer weegt slechts ongeveer een gram en zou in de toekomst niet meer kosten dan één euro«, zegt Dr. Alexander Weiß, afdelingshoofd bij het Fraunhofer ENAS. »Daardoor zou het bijvoorbeeld geïntegreerd kunnen worden in smartphones.« Ter vergelijking: tot nu toe wegen infraroodspectrometers enkele kilogrammen en kosten ze enkele duizenden euro’s. Er bestaan al draagbare apparaten die iets minder wegen, maar ook deze zijn niet geschikt voor de massamarkt – zowel qua kosten, grootte als gebruiksgemak en interpretatie van de resultaten. Verdere eisen om op de massamarkt te kunnen bestaan: de complexiteit van de technologie moet laag zijn – dat wil zeggen, het moet eenvoudig te bedienen zijn – en de productie moet geschikt zijn voor massaproductie.

Veelzijdige toepassingsmogelijkheden

De mogelijke toepassingen beperken zich niet tot het opsporen van vervalste medicijnen. »Ons spectrometer is interessant voor allerlei toepassingsgebieden – bijvoorbeeld om voedingsmiddelen en diervoeder te beoordelen op rijpheid of microbieel afbraakproces, de luchtkwaliteit binnenshuis en in voertuigen te meten voor gecontroleerde klimaatregeling, of om schadelijke stoffen in lucht, water of voedsel te detecteren.« Hiervoor zendt het spectrometer – net als conventionele infraroodspectrometers – lichtstralen uit in het infraroodbereik. Het licht van verschillende golflengten wordt vervolgens gesplitst met behulp van een doorstemmingsfilter en via geïntegreerde golfgeleiders naar een detector geleid. Rasterkoppelaars met nanostructuren bundelen daarbij het door een te testen tablet gereflecteerde licht in geïntegreerde golfgeleiders. Wil men de luchtkwaliteit onderzoeken, dan komt het licht in plaats daarvan in een speciale, in het vlak geïntegreerde absorptiezelle. Door te bepalen bij welke golflengte hoeveel licht de detector bereikt, krijgt men een karakteristiek spectrum dat, net als een vingerafdruk, bij elke proef verschillend is. Een vervalste tablet, die anders is samengesteld, heeft dus een ander spectrum dan het originele medicijn.

Maar hoe is het het onderzoeksteam gelukt om de afmeting van de spectrometer zo sterk te verkleinen, terwijl de algemene werking toch vergelijkbaar blijft? »Conventionele spectrometers bestaan meestal uit discrete, min of meer goed geïntegreerde componenten. Wij hebben daarentegen zowel de geleiding van het stralingspad als de splitsing van de verschillende golflengten en de detectie in één vlak geïntegreerd – we spreken daarom ook van een in-plane spectrometer«, legt Weiß uit.

Eenvoudige bediening, kosteneffectieve productie

Als het spectrometer in de toekomst bijvoorbeeld in smartphones geïntegreerd moet kunnen worden, is niet alleen een kleine afmeting vereist. Bovendien moet het systeem eenvoudig en intuïtief te bedienen zijn en de gebruiker duidelijke analyses presenteren. Ook hier hebben de onderzoekers al een aanpak: slimme, lerende algoritmen. »Als een grote groep mensen de technologie gebruikt, leert het systeem snel bij«, zegt Weiß. Voor de gebruiker betekent dat: hij pakt zijn telefoon, start het spectrometer via een speciale app, houdt het boven een van de tabletten en krijgt daarnaast een instructie voor de juiste uitvoering van de meting. Het spectrometer maakt automatisch het spectrum, en de software vergelijkt het met vergelijkingsspectra die door vakpersoneel in een database zijn opgeslagen. Hoe meer gebruikers het systeem gebruiken, hoe groter de vergelijkingsmogelijkheden worden. De gebruiker ziet alleen het resultaat, bijvoorbeeld »Origineel medicijn«. Een ander knelpunt zijn de productiekosten van het spectrometer. Ook dat houdt het onderzoeksteam vanaf het begin in de gaten. »We hebben het spectrometer zo ontworpen dat het met behulp van conventionele technologieën uit de microsystemenproductie kosteneffectief in massa kan worden geproduceerd. Fabrikanten kunnen direct inzetten op de processen die gangbaar zijn bij grote fabricagelijnen, de zogenaamde FABs«, zegt Weiß.

De eerste spectrometer-chips zijn al door de onderzoekers geproduceerd, het proof-of-concept is geleverd. Nu staan verschillende karakteriseringen op het programma: bewegen de componenten zoals gewenst? Wordt het licht dat in de golfgeleiders wordt geïnjecteerd, in voldoende mate doorgelaten? De bijbehorende apparatuur voor deze karakteriseringen is gefinancierd door de onderzoeksfabriek voor micro-elektronica. Als deze onderzoeken zoals gehoopt verlopen, zou de spectrometer over ongeveer twee jaar de weg naar de massamarkt kunnen vinden.