Miniaturowy spektrometr dla smartfona

Ustawienie pomiarowe z probierką na waflu, optycznymi sondami światłowodowymi i waflem z strukturami testowymi. © Fraunhofer ENAS / Ustawienie pomiarowe z probierką na waflu, optycznymi sondami światłowodowymi i waflem z strukturami testowymi. © Fraunhofer ENAS

Wykrywanie sfałszowanych leków? Samodzielne badanie próbek wody? Sprawdzanie jakości powietrza? Wszystko to mogłoby w przyszłości być możliwe za pomocą smartfona – szybko, tanio i bezproblemowo. Umożliwia to spektrometr o masie zaledwie jednego grama, opracowany przez Instytut Fraunhofer ds. Elektronicznych Nanosystemów ENAS, który w przyszłości ma być produkowany masowo za pomocą zwykłych technologii chipów za około euro.

Leki dostępne w internecie są często znacznie tańsze niż w aptekach. Jednak podczas zakupu na miejscu można polegać na jakości leków, podczas gdy w przypadku zakupów online często pojawia się niepewność, czy nie sprzedaje się nam nieefektywnego lub zmodyfikowanego fałszywego produktu. W przyszłości takie pytania można byłoby szybko i łatwo wyjaśnić: za pomocą chipowego spektrometru, który obecnie opracowują naukowcy z Fraunhofer ENAS. »Nasz spektrometr podczerwieni waży tylko około jednego grama i docelowo ma kosztować nie więcej niż euro«, mówi dr Alexander Weiß, kierownik działu w Fraunhofer ENAS. »Dzięki temu można go zintegrować na przykład w smartfonach.« Dla porównania: dotychczasowe spektrometry podczerwieni ważą kilka kilogramów, a ich koszt sięga kilku tysięcy euro. Istnieją już przenośne urządzenia, które są nieco lżejsze, ale również nie nadają się do masowej produkcji – zarówno pod względem kosztów, rozmiaru, jak i obsługi oraz analizy wyników. Kolejne wymagania, aby móc konkurować na rynku masowym: technologia musi być prosta w obsłudze i produkcji, a jej złożoność musi być niska – musi być łatwa w obsłudze – oraz metoda produkcji musi nadawać się do masowej produkcji.

Różnorodne możliwości zastosowania

Możliwości zastosowania nie ograniczają się wyłącznie do wykrywania fałszywych leków. »Nasz spektrometr jest interesujący dla różnych dziedzin – na przykład do oceny dojrzałości produktów spożywczych i paszowych lub do wykrywania mikrobiologicznych rozkładów, pomiaru jakości powietrza w pomieszczeniach i pojazdach w celu sterowania klimatyzacją, a także do wykrywania zanieczyszczeń w powietrzu, wodzie czy żywności.« Spektrometr wysyła – podobnie jak tradycyjne spektrometry podczerwieni – promieniowanie w zakresie podczerwieni. Światło o różnych długościach fal jest następnie rozdzielane za pomocą filtra z możliwością strojenia i kierowane do detektora za pomocą zintegrowanych falowodów. Siatki dyfrakcyjne z nanostrukturami łączą światło odbite od testowanej tabletki w zintegrowanych falowodach. Jeśli chodzi o badanie jakości powietrza, światło zamiast tego trafia do specjalnej komórki absorpcyjnej zintegrowanej w płaszczyźnie. Nakładając na nią informacje o długości fali i ilości światła docierającego do detektora, otrzymujemy charakterystyczny spektrogram, który za każdym razem jest inny jak odcisk palca. Fałszywa tabletka, która ma inną skład, będzie miała inny spektrogram niż oryginalny lek.

A jak udało się zespołowi naukowców tak mocno zmniejszyć rozmiar spektrometru, skoro jego podstawowa zasada działania jest podobna? »Tradycyjne spektrometry składają się zazwyczaj z oddzielnych, mniej lub bardziej dobrze zintegrowanych komponentów. My zintegrowaliśmy zarówno prowadzenie promieniowania, jak i rozdział długości fal oraz detekcję w jednej płaszczyźnie – dlatego mówimy również o spektrometrze typu in-plane«, wyjaśnia Weiß.

Prosta obsługa, tania produkcja

Jeśli spektrometr ma być w przyszłości zintegrowany na przykład w smartfonach, konieczne jest nie tylko jego małe rozmiary. System musi być również prosty i intuicyjny w obsłudze, a użytkownik musi otrzymywać jasne wyniki. Naukowcy już opracowali na to rozwiązanie: inteligentne, uczące się algorytmy. »Gdy z technologią korzysta duża liczba ludzi, system szybko się uczy«, mówi Weiß. Dla użytkownika oznacza to: sięga po telefon, uruchamia spektrometr za pomocą specjalnej aplikacji, trzyma go nad tabletką i otrzymuje dodatkowo instrukcję, jak poprawnie wykonać pomiar. Spektrometr automatycznie tworzy spektrogram, a oprogramowanie porównuje go z wzorcami zapisanymi w bazie danych przez fachowy personel. Im więcej użytkowników korzysta z systemu, tym więcej jest dostępnych porównań. Użytkownik widzi tylko wynik, na przykład »Oryginalny lek«. Kolejnym wyzwaniem są koszty produkcji spektrometru. Również te naukowcy mają na uwadze od początku. »Zaprojektowaliśmy spektrometr tak, aby można go było masowo produkować przy użyciu zwykłych technologii mikrosystemowych. Producenci mogą bezpośrednio korzystać z procesów stosowanych w dużych fabrykach, tzw. FABs«, mówi Weiß.

Naukowcy już wyprodukowali pierwsze chipy spektrometru, a dowód koncepcji został potwierdzony. Teraz planowane są różne testy: czy poszczególne elementy działają zgodnie z oczekiwaniami? Czy światło wprowadzane do falowodów jest odpowiednio przesyłane? Sprzęt do tych testów został sfinansowany przez Centrum Mikroelektroniki. Jeśli te badania przebiegną pomyślnie, spektrometr może trafić na rynek masowy w około dwa lata.