Technologieforum Laser Photonik

Miniaturisierte NIR-Spektroskopie: Frische­prüfung von Lebens­mitteln

Bei der Analyse von Materialien im Allgemeinen, speziell aber im Fall von Lebensmitteln und ihrer Frische, ist die Nahinfrarot-Spektralanalyse (NIR) ein bewährtes Verfahren im Laboreinsatz. Hochgenaue Geräte sind in der Lage, präzise Aussagen über den Produktzustand zum Zeitpunkt der Messung zu liefern. Problematisch wird es jedoch, wenn sich die Probe im Zeitraum zwischen der Probennahme und der Messung im Labor verändert oder wenn die Ergebnisse schnell benötigt werden. Viele neue Anwendungen könnten von der NIR-Spektralanalyse profitieren, wenn es gelingt, die Systeme für den mobilen Einsatz ausreichend zu miniaturisieren und kostengünstig bereit zu stellen. Daher entwickelt das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS kleinste Analysegeräte, die selbst in Handhelds, Tablets oder perspektivisch sogar in Smartphones integriert werden können. Dazu kommen mikroelektromechanische Systeme (MEMS) zum Einsatz.

Scannerspiegel im Kleinstformat

Die Verwendung von MEMS ermöglicht hochkompakte Systeme, die in großen Stückzahlen kosteneffizient gefertigt werden können. Die Qualität der Messungen ist trotz der geringen Größe für viele wichtige Anwendungen konkurrenzfähig.

Beispiele miniaturisierter MEMS-Scannerspiegel. Bild: Fraunhofer IPMS

 

Aktuelle Arbeiten des Fraunhofer IPMS kombinieren hierfür eine einfache Technologie für die MEMS-Komponente mit einem großen Spektralbereich des Systems und einer hohen Modularität. Kernstück ist ein MEMS-Scannerspiegel, der die einfallenden kollimierten Lichtbündel auf ein im System montiertes Gitter ablenkt. Dabei ist eine Auswahl verschiedener spektraler Beugungsgitter möglich, die sich für spezifische Anwendungen optimieren und einsetzen lassen.

Demonstrationssystem und weitere Miniaturisierung

Das aktuelle Demonstrationssystem adressiert den Spektralbereich von 950 nm bis 1900 nm mit einer Auflösung von 10 nm. Aktuell erreicht das System ein Bauvolumen von etwa 2 cm³. Eine weitere Miniaturisierung ist jedoch möglich. Die Messungen erfolgen in typischen Anordnungen je nach Probenbeschaffenheit, beispielsweise in Transmission bei flüssigen Medien oder ausreichend transparenten Festkörpern oder in diffuser Reflexion bei wenig transparenten Proben mit ausreichendem Streuquerschnitten. Die optische Ankopplung des Spektrometers kann als Freistrahloptik oder über angekoppelte Fasern erfolgen.

Demonstrationssystem zur spektroskopischen Identifikation weißer, pulverförmiger Proben. Bild: Fraunhofer IPMS

 

„Die Miniaturisierung des Systems und der geringe Energiebedarf ermöglichen künftig auch den Einsatz in mobile Anwendungen“, sagt Dr. Heinrich Grüger, Wissenschaftler am Fraunhofer IPMS. „Die Integration in ein Hostsystem, beispielsweise ein Handheld, Tablet oder perspektivisch sogar ein Smartphone, profitiert zusätzlich von zahlreichen Synergieeffekten.“ So können Prozessor, Speicher und Energieversorgung des Hostsystems genutzt und der Zugriff auf für die Auswertung wichtige Datenbankinformationen ermöglicht werden. Über die Bildauswertung mittels der Kamera könnte eine wichtige Eingrenzung des Messobjekts erfolgen und damit die Präzision der Resultate erhöht werden. Bei komplexeren Messaufgaben, beispielweise inhomogenen Objekten, kann der Nutzer durch Kamera und Anzeige geführt werden, so dass die Messung an der vorgesehenen Stelle mit korrektem Abstand erfolgt. Hierdurch werden auch wissenschaftliche Laien in die Lage versetzt, anspruchsvolle Messaufgaben schnell und zuverlässig zu erledigen.

Vielseitige Anwendungsmöglichkeiten

Die erfassten Daten werden vor Ort oder online chemometrisch ausgewertet und daraus spezifische Merkmale extrahiert. Hierdurch werden beispielsweise unmittelbare Aussagen zur Reife und Frische von Lebensmitteln möglich. Ebenso können andere Anwendungen, wie die Überprüfung korrekter Mischverhältnisse in der Lebensmittelverarbeitung, schnelle Warenein- und -ausgangkontrollen oder die Auswahl in Recycling- oder Weiterverwertungsprozessen bedient werden. „Im Kontext der Bewertung von Qualitätsparametern von Lebensmitteln wurde gezeigt, dass Druck- und Schadstellen am Beispiel von Äpfeln sehr frühzeitig erkannt werden können, sodass eine geeignete Selektion die Verwertung mit höchstmöglicher Wertschöpfung zulässt und die vermeidbare Vernichtung minimiert wird“, sagt Grüger. Quantitative Analysen sind unter Nutzung entsprechender mathematischer Modelle ebenfalls möglich. Für die Bewertung der Qualität von Olivenöl wurde die Zusammensetzungsanalyse implementiert. In der landwirtschaftlichen Erzeugung reichen die Zielanwendungen von der Bewertung des Ackerbodens über Saat, Wachstum und Reife bis hin zur Reststoffverwertung, beispielsweise in Biogasanlagen.

Vom Profigerät bis zum Smartphone

Die Einsatzszenarien liegen unter anderem in tragbaren Profisystemen mit entsprechend hoher Messgenauigkeit für den Einsatz in der Landwirtschaft. Im Verkauf ist die Selektion der Güter in der Auslage eine wichtige Anwendung, um Waren kurz vor dem Verlust von Frische noch preisreduziert für den sofortigen Verbrauch zu verkaufen, statt diese am Folgetag zu entsorgen.

Einfachere Systeme könnten für den privaten Nutzer entwickelt werden, beispielsweise integriert im Mobiltelefon oder als Zubehörgerät mit kabelloser Schnittstelle. Hierdurch wird der Verbraucher in die Lage versetzt, Messungen zu Qualität und Frische vor dem Kauf durchzuführen. Speziell für Früchte, die nach dem Verkauf noch reifen – ein Beispiel ist die Avocado – kann der höchste Reifepunkt zum Verzehr gewählt werden. Rechtzeitiger Verbrauch schnell verderblicher Lebensmittel leistet zudem einen wichtigen Beitrag zur Minimierung der Lebensmittelverschwendung.

Quelle und Bild: www.ipms.fraunhofer.de



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