Germany
May 2, 2012
Whether fruit, meat or cheese – the quality of food is not always as consumers would like it to be. But, in future, a spectrometer will allow them to gage the quality of food before they buy it. No bigger than a sugar cube, the device is inexpensive to manufacture and could one day even be installed in smartphones.
Is that pear ripe? Or will you be annoyed when you get home and discover that the one you bought is neither sweet nor juicy? And what about that meat? Does it contain too much water, which will make it turn tough when you cook it? Buying the right food is often a question of sheer luck for consumers. But all that is set to change. In future, all you will need to do is hold your smartphone near the product in question, activate the corresponding app, choose the food type from the menu – e.g. “pear” – and straight away the device will make a recommendation: the fructose content of the pear is high, so buy it! The application is based on a near infrared spectrometer which measures the amount of water, sugar, starch, fat and protein present in the products. The system “looks” several centimeters below the outer surface of the foodstuffs – which means it can detect, for instance, whether the core of an apple is already rotting. Thin packaging film is no problem for the device as it takes measurements straight through it.
Complete with integrated diffraction grating, grating drive, position detector and optical gaps, the spectrometer is much more compact than those currently available in the market. Photo: Fraunhofer IPMS
But how does the device actually work? By shining a broad-bandwidth light on the item to be tested – for instance a piece of meat. Depending on the meat’s composition, it will reflect different wavelengths of light in the near infrared range with different intensities. The resulting spectrum tells scientists what amounts of which substances are present in the foodstuff.
Smaller than a sugar cube
The novel thing about this spectrometer is its size. With a volume of only 2.1 cc, it is 30 percent smaller than a sugar cube, and thus substantially more compact than its commercially available counterparts, which are around 350 times larger. Another advantage is that the devices are inexpensive to make and suitable for mass production. “We expect spectrometers to develop in the same way that digital cameras did,” says Dr. Heinrich Grüger, who manages the relevant business unit at the Fraunhofer Institute for Photonic Microsystems IPMS in Dresden, where the system is being developed. “A camera that cost 500 euros ten years ago is far less capable than the ones you get virtually for free today in your cell phone.”
Spectrometers are usually manufactured by assembling individual components: The mirrors, optical gaps, grating and detector each have to be put in place individually and properly aligned. The IMPS researchers instead manufacture the individual gratings and optical gaps directly on silicon wafers. But that’s not all: The thin silicon wafers are large enough to hold the components of several hundred spectrometers, which means that hundreds of near infrared systems can be produced in one go. The scientists stack the wafers containing the integrated components on top of the ones bearing the optical components. They then align and bind the wafers, and isolate them to form individual spectrometers. This means the researchers do not need to position each component, but only the respective composite substrates. Another advantage of what is called Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) technology is that the devices produced are much more robust than their handmade counterparts.
At the Sensor+Test tradeshow being held in Nuremberg from May 22 to 24, the IPMS research scientists will be exhibiting a prototype of the spectrometer (in Hall 12, Booth 202). The device could be ready for market launch in three to five years. The researchers are also working on creating a corresponding infrastructure. “We are developing intelligent algorithms that analyze the recorded spectrums immediately, compare them with the requirements and then advise the consumer whether or not to buy the item. This advice is based solely on quality features such as ripeness and water content. The system cannot carry out a microbiological or toxicological analysis.” Potential application areas for the spectrometers are not limited to foodstuffs: The device can also detect forgeries, for example, and can verify whether a product is made of high-quality original materials or whether it is a cheap fake. It can also reveal whether parts of a vehicle’s body have been repainted, as well as test the contents of drugs and cosmetic creams.
Qualität von Lebensmitteln schnell überprüft
Ob bei Obst, Fleisch oder Käse – die Qualität ist nicht immer so wie der Verbraucher es wünscht. Ein Spektrometer soll Kunden künftig verraten, wie es um die Güte von Lebensmitteln bestellt ist. Das Gerät ist nicht größer als ein Stück Würfelzucker, lässt sich günstig produzieren und könnte in Zukunft gar in Smartphones Platz finden.
Ist die Ananas reif? Oder stellt man zuhause genervt fest, dass das gekaufte Exemplar weder süß noch saftig ist? Und wie steht es um die Qualität des Fleisches? Enthält es zu viel Wasser und wird beim Braten zäh? Beim Einkauf von Lebensmitteln muss der Kunde sich oft auf sein Glück verlassen. Das soll künftig ein Ende haben: Dann reicht es, ein Smartphone an das Produkt zu halten, die entsprechende App und die entsprechende Menüauswahl, zum Beispiel »Birne«, zu starten – und schon gibt das Gerät eine Empfehlung: Der Fruchtzuckergehalt dieser Birne ist hoch, grünes Licht für den Kauf. Grundlage dieser Anwendung ist ein Nahinfrarot-Spektrometer, das den Anteil von Wasser, Zucker, Stärke, Fett und Proteinen in den Produkten misst. Dabei »schaut« das System einige Zentimeter tief in das Lebensmittel hinein – so kann es etwa bei einem Apfel erkennen, ob das Kerngehäuse fault. Auch dünne Verpackungsfolien sind kein Hindernis.
Doch wie funktioniert das Gerät? Es strahlt breitbandiges Licht auf die Probe, etwa ein Stück Fleisch. Je nach seiner Zusammensetzung reflektiert dieses das Licht verschiedener Wellenlängen im Nahinfrarot-Bereich unterschiedlich stark. Das Spektrum verrät den Forschern, wie viel von welchem Stoff in dem Lebensmittel enthalten ist.
Kleiner als ein Stück Würfelzucker
Das Besondere an dem Spektrometer: Mit einem Volumen von nur 2,1 Kubikzentimeter ist es etwa 30 Prozent kleiner als ein Stück Würfelzucker – und somit deutlich kompakter als seine handelsüblichen Gegenstücke, die etwa die Abmessungen von zwei Päckchen Butter haben. Ein weiterer Vorteil: Die Geräte eignen sich für die Massenfertigung und lassen sich kostengünstig produzieren. »Wir erwarten, dass Spektrometer sich auf ähnliche Weise entwickeln wie Digitalkameras«, sagt Dr. Heinrich Grüger, verantwortlicher Geschäftsfeldleiter am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden, wo das System entwickelt wird. »Die Kameras, die man vor zehn Jahren für 500 Euro kaufen konnte, können weniger als die, die man heute im Handy quasi umsonst dazu bekommt.«
Üblicherweise werden Spektrometer aus einzelnen Bauelementen gefertigt: Spiegel, Spalte, Gitter und Detektor müssen Stück für Stück an die richtige Stelle gesetzt und zueinander justiert werden. Die Forscher am IPMS fertigen die einzelnen Gitter und optischen Spalte direkt auf Siliziumwafern. Doch damit nicht genug: Die dünnen Siliziumplatten sind so groß, dass Bauteile für mehrere hundert Spektrometer darauf passen – es können also hunderte Nahinfrarot-Systeme auf einen Schlag gefertigt werden. Die Wissenschaftler stapeln die Wafer mit den integrierten Bauteilen auf diejenigen, auf denen sich die optischen Komponenten befinden. Sie justieren und fixieren die Wafer und isolieren sie dann zu einzelnen Spektrometern. Die Forscher müssen also nicht jedes Bauteil ausrichten, sondern lediglich die jeweiligen Substratverbünde. Ein weiterer Vorteil dieser MEMS-Technologie, kurz für Micro Electro Mechanical Systems: Die so produzierten Geräte sind wesentlich robuster als ihre handgefertigten Gegenstücke.
Auf der Messe Sensor+Test vom 22. bis 24. Mai in Nürnberg stellen die Wissenschaftler einen Prototyp des Spektrometers vor (Halle 12, Stand 202). In etwa drei bis fünf Jahren könnte das Gerät auf den Markt kommen. In einem weiteren Schritt arbeiten die Forscher an der passenden Infrastruktur. »Wir entwickeln intelligente Algorithmen, die die aufgenommenen Spektren sofort analysieren, mit Vorgaben vergleichen und dem Kunden dann eine Kaufempfehlung oder -ablehnung geben. Diese Aussage bezieht sich jedoch lediglich auf die Qualität des Produktes wie Reife oder Wassergehalt. Einen mikrobiologischen und toxikologischen Befund dagegen kann das System nicht liefern.« Die Anwendungen des Spektrometers beschränken sich nicht auf den Lebensmittelbereich: So erkennt es beispielsweise Plagiate, kann also nachweisen, ob es sich um ebenso hochwertige Materialien handelt wie beim Original oder um minderwertigere Ware. Auch kann es beim Auto nachlackierte Stellen enttarnen oder die Inhalte von Medikamenten und Pflegecremes überprüfen.
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