Smartphone erkennt Qualität und Inhaltsstoffe von Lebensmitteln

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Was genau steckt in meinen Lebensmitteln? Dank einer neuen Generation von Breitbandinfrarot-LEDs ist es mit einem Smartphone möglich, Lebensmittel auf ihre Frische hin zu untersuchen, Kalorien zu ermitteln und Wirkstoffe festzustellen.

Die Qualität von Lebensmitteln lässt sich unter anderem mit sogenannten Nahinfrarot-LEDs untersuchen. Mit der Infrarot-Spektroskopie wird das charakteristische Absorptionsverhalten bestimmter Molekülbindungen ausgenutzt. Strahlt man ein definiertes Spektrum auf eine Probe ein, kann man aus der Wellenlängenverteilung des reflektierten Lichts das Vorhandensein und die Menge bestimmter Inhaltsstoffe ermitteln.

Dank aktueller Entwicklungen bei den breitbandigen Nahinfrarot-(NIR-)LEDs eröffnen sich unterschiedliche Anwendungen für die mobile Spektroskopie. Mit der Technik ist es möglich, Nährstoffe, Kaloriengehalt und Frische in Lebensmitteln mit einem Smartphone oder anderen tragbaren Geräten zu messen, mit denen sie bereits Herzfrequenzen und Pulsoximetrie überwachen. Osram Opto Semiconductors ist nach eigenen Angaben aktuell der einzige Anbieter von NIR-LEDs mit entsprechend breitem Wellenlängenbereich und geringer Baugröße, die eine Integration von Spektroskopie-Anwendungen ins Smartphone erlauben. Verbraucher erhalten dadurch ein Stück mehr Unabhängigkeit.

Mobile Spektroskopie mit der LED

Die auf LED-Technik basierende Nahinfrarot-Spektroskopie nutzt das charakteristische Lichtabsorptionsverhalten bestimmter Molekülverbindungen. Wenn ein definiertes Lichtspektrum auf ein Objekt gerichtet wird, lässt sich aus der Wellenlängenverteilung des reflektierten Lichts das Vorhandensein und die Menge bestimmter Inhaltsstoffe ermitteln. So ist es beispielsweise möglich, den Gehalt von Wasser, Fett, Kohlehydraten, Zucker oder Proteinen in Lebensmitteln zu messen. Diese Daten können wiederum als Indikator für Frische, Qualität oder Kaloriengehalt herangezogen werden.

Jedes Molekül absorbiert Licht mit mehreren, unterschiedlichen Wellenlängen. Dieses Absorptionsspektrum ist einzigartig und funktioniert wie ein Fingerabdruck für ein bestimmtes Molekül. Unterschiedliche Molekülverbindungen absorbieren charakteristische Frequenzen des Infrarotlichts. Mit Hilfe von entsprechendem Zubehör können Infrarotspektrometer eine Vielzahl von Probenarten wie Gase, Flüssigkeiten und Feststoffe erfassen. Nahinfrarot-LEDs fungieren als kompakte Lichtquelle für das Spektrometer.

Neue Generation Nahinfrarot-LEDs

Eine neue Generation von Nahinfrarot-LEDs wie die Oslon Black SFH 4736 oder Synios SFH 4776 setzen auf eine verbesserte Phosphortechnik und eine integrierte Linse. Somit erhöht sich die Strahlstärke um 60% mehr Strahlstärke im Vergleich zu Vorgängerkomponenten. Die Primäroptik bündelt dabei 90% des erzeugten Lichts in einem Abstrahlwinkel von ±40° und bringt so deutlich mehr optische Leistung pro Flächeneinheit auf das Zielobjekt – mit anderen Worten, sie fokussiert das Licht genau dort, wo es gebraucht wird. Dadurch wird mehr Licht zum Spektrometer reflektiert, was zu einem stärkeren Messsignal führt.

Für den Anwender bedeutet das ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis (SRV), das eine einfachere Analyse der molekularen Zusammensetzung von Lebensmitteln und Medikamenten ermöglicht. Bisher beschränkte sich die Infrarotspektroskopie auf die wissenschaftliche Nutzung in Chemie- und Physiklabors. Fortschritte bei der Miniaturisierung ermöglichen nun die Integration von Nahinfrarot-LEDs für Anwendungen in Geräten mit sehr beschränktem Platz. Dazu gehören beispielsweise Mobiltelefone oder Tablets. Somit entsteht eine neue Generation von Endgeräten, die mit breitbandigen Nahinfrarot-Emittern, einem kompakten Spektrometer und einer in der Cloud hinterlegte Datenbank notwendige Material- und Referenzdaten abgleicht. Durch die Analyse des Absorptionsspektrums eines unbekannten Materials und dem Abgleich der Messung mit einer Datenbank von bekannten Molekülen ist es möglich, die Existenz und die Menge bestimmter Inhaltsstoffe zu bestimmen.

Anwender können jetzt unabhängig von Herstellerangaben auf der Verpackung oder einer Lebensmittelampel durch einfaches Scannen des Artikels mit einem mobilen Endgerät überprüfen, wie frisch Lebensmittel sind, die Kalorien ermitteln oder in Arzneien die Wirkstoffe auslesen.

Chip emittiert blaues Licht

Grundlage der beschriebenen Nahinfrarot-LEDs ist ein blau emittierender 1-mm²-Chip auf Basis der von Osram Opto Semiconductors entwickelten UX:3-Chiptechnik, der eine effiziente Lichtausbeute bei hohen Stromstärken ermöglicht. Sein blaues Licht wird mithilfe eines speziell für diese Anwendung entwickelten Phosphorkonverters in infrarotes Licht umgewandelt. Eine blaue Restkomponente im Licht hilft dem Anwender, das Gebiet zu erfassen, das er untersuchen möchte. Das Emissionsspektrum der NIREDs weist eine homogene Wellenlängenverteilung im Infrarotbereich von 650 bis 1050 nm auf. Die Osram Oslon Black des Typs Flat SFH 4735, Oslon Black SFH 4736 und Synios SFH 4776 sind die ersten und bislang immer noch die einzigen LEDs auf dem Markt mit diesem breiten Wellenlängenspektrum im Nahinfrarot-Bereich.

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