Mikro-Spektrometer im Smartphone-Format

Spektrometrie für unterwegs

28.01.2018 Smartphones können zwar viel, aber trotz der nahezu universellen Weisheit „Dafür gibt’s eine App!“ können sie noch nicht alles.

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Einblick 1 2018

Ein ins Smartphone verbautes Spektrometer zur Analyse von Gasen, Nahrungsmitteln oder Medikamenten könnte in nicht allzu ferner Zukunft so alltäglich sein wie eine Kamera.
(Bild: aijiro + ArenaCreative – fotolia)

Wissenschaftler der Universität Eindhoven sind jedoch dabei, das Spek-trum an Fähigkeiten deutlich zu erweitern: In nicht allzu ferner Zukunft könnte ein ins Mobiltelefon eingebautes Spektrometer ebenso alltäglich sein wie die Kamera. Damit ließe sich die Luftqualität im Büro messen, der Frischegrad an der Fisch- oder Gemüsetheke überprüfen oder auch die Verwechslungsgefahr bei Medikamenten ausschließen.

Dazu mussten die Wissenschaftler um Prof. Andrea Fiore und Prof. Rob van der Heijden allerdings ein Problem überwinden: Spektrometer sind normalerweise relativ groß. Sie analysieren Licht unterschiedlicher Wellenlängen im sichtbaren und unsichtbaren Bereich. Für eine präzise Analyse muss das Licht in unterschiedliche Wellenlängen aufgespalten werden, die sich einzeln messen lassen. Die dazu existierenden technischen Lösungen lassen sich zwar in einem Tabletop-Gerät unterbringen, aber kaum in einem Mobilgerät.

Gestapelte Membranen für mehr Bandbreite

Die Forscher aus Eindhoven verfolgen darum einen völlig neuen Ansatz. Mithilfe einer Membran konstruierten sie einen Hohlraum mit einem Durchmesser von wenigen Mi-krometern in einem sogenanten photonischen Kristall. Darin lässt sich Licht einer spezifischen Wellenlänge gewissermaßen einsperren und messen. Um auch einen größeren Wellenlängenbereich analysieren zu können, stapelten sie zwei Membranen dicht übereinander. In diesem Fall beeinflussen die beiden Lichtfallen sich gegenseitig, und die untersuchte Wellenlänge verschiebt sich. Mit einem Mikro-Elektromechanischen System (MEMS) können die Wissenschaftler den Abstand zwischen den Membranen mit einer Genauigkeit im zweistelligen Femtometer-Bereich einstellen.

Damit lässt sich ein Wellenlängen-Bereich mit einer Bandbreite von etwa 30 nm im Nah-Infrarot abdecken. Gemessen an gängigen Spektrometern ist das zwar nur ein extrem geringer Anteil, aber die Wissenschaftler forschen intensiv daran, den Messbereich zu erweitern. Außerdem soll das Mikro-Spektrometer eine integrierte Lichtquelle erhalten, um auch unabhängig von externen Quellen zu funktionieren.

Für einige Demonstrations-Anwendungen, beispielsweise als Gassensor, ist das Smartphone-taugliche Spektrometer aber schon jetzt einsetzbar. Außerdem funktioniert das Messprinzip des Sensors auch als hochsensibler Bewegungsmelder. In etwa fünf Jahren, schätzt Prof. Fiore, könnte das Mikro-Spektrometer ausgereift und in Smartphones verbaut sein.

Heftausgabe: Februar 2018
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Über den Autor

Ansgar Kretschmer
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