Nahinfrarot Spektralanalyse Mobile Scanner untersuchen berührungslos Lebensmittel

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Fraunhofer-Forscher arbeiten an energieeffizienten Scannersystemen mit miniaturisierten MEMS-Scannerspiegeln, um beispielsweise die Frische von Lebensmitteln zu überprüfen. Ein jetzt vorgestellter Demonstrator arbeitet mit 950 bis 1.900 nm.

Nahinfrarot-Spektralanalyse: Herzstück der Analystoren sind minaturisierte MEMS-Scannerspiegel. Damit sind mobile und kleine Messgeräte möglich.
Nahinfrarot-Spektralanalyse: Herzstück der Analystoren sind minaturisierte MEMS-Scannerspiegel. Damit sind mobile und kleine Messgeräte möglich.
(Bild: Fraunhofer IPMS)

Mit der Nahinfrarot- (NIR-)Spektroskopie lassen sich physikalisch organische Molekülverbindungen zerstörungsfrei bestimmen. Die NIR-Spektroskopie arbeitet dabei mit Lichtwellen zwischen 800 und 2.500 nm. Eingesetzt wird die Technik beispielsweise, um die Qualität von Lebensmitteln zu bestimmen.

NIR-Spektroskopie kommt auch im professionellen Umfeld zum Einsatz: Im Labor liefern hochgenaue Geräte präzise Aussagen über den Produktzustand von Lebensmitteln während der Messung. Problematisch wird es, wenn sich die Probe im Zeitraum zwischen der Probennahme und der Messung im Labor verändert oder wenn die Ergebnisse schnell benötigt werden.

NIR-Analysegeräte für mobile Anwendungen

Viele neue Anwendungen könnten von der NIR Spektralanalyse profitieren. Dazu müssten allerdings die Systeme für den mobilen Einsatz ausreichend klein und kostengünstig sein. Dran arbeitet das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS an kleinen Analysegeräten, die selbst in Handhelds, Tablets oder perspektivisch sogar in Smartphones integriert werden können.

Mit mikro-elektromechanischen Systemen (MEMS) sind hochkompakte Systeme möglich, die in großen Stückzahlen günstig gefertigt werden können. Die erfassten Daten werden vor Ort oder online chemo-metrisch ausgewertet und daraus spezifische Merkmale extrahiert. ussagen zur Reife und Frische von Lebensmitteln sind möglich.

Möglich ist auch das korrekte Mischverhältnis in der Lebensmittelverarbeitung zu bestimmen, schnell den Warenein- und -ausgang kontrollieren oder die Selektion in Recycling- oder Wertstoffprozessen zu bedienen.

Spektralbereich von 950 bis 1.900 nm

Demonstrationssystem zur spektroskopischen Identifikation weißer Pulver.
Demonstrationssystem zur spektroskopischen Identifikation weißer Pulver.
(Bild: Fraunhofer IPMS)

Das Kernstück der Entwicklung ist ein MEMS-Scannerspiegel, der die einfallenden kollimierten Lichtbündel auf ein im System montiertes Gitter ablenkt. Dabei ist eine Auswahl verschiedener spektraler Beugungsgitter möglich, welche für spezifische Anwendungen optimiert und eingesetzt werden können.

Das aktuelle Demonstrationssystem adressiert den Spektralbereich von 950 bis 1.900 nm mit einer spektralen Auflösung von 10 nm. Aktuell erreicht das System ein Bauvolumen von ungefähr 2 cm³. Kleinere Volumen sind 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 ist als Freistrahloptik oder über angekoppelte Fasern möglich. Im Demonstrationssystem wird die Erkennung weißer Pulver gezeigt. Hierbei könnte es sich um Salz, Zucker, Stärke oder Mehl handeln, es können aber durchaus zahlreiche visuell ähnlich erscheinende Substanzen zuverlässig erkannt und zugeordnet werden.

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