Je leest:

Met je smartphone meten wat je wel en niet kunt eten

Met je smartphone meten wat je wel en niet kunt eten

Wetenschappers ontwikkelen spectrometer die in je broekzak past

Auteur: | 22 december 2017

Met je smartphone bepalen of je eten bedorven is, of wat de luchtkwaliteit is: misschien kan dat de komende jaren. Wetenschappers van de Technische Universiteit Eindhoven zetten een stap naar een zogenoemde spectrometer die zo klein is dat hij in een smartphone past.

Sentinel 5p
Impressie van de Sentinel-5P-satelliet die onder andere luchtvervuiling in kaart brengt. Aan boord is de geavanceerde spectrometer Tropomi die in Nederland werd ontwikkeld.

Zogenoemde spectrometers hebben al tientallen jaren een essentiële rol in de wetenschap. De apparaten analyseren licht en bepalen op basis daarvan (op afstand) bijvoorbeeld concentraties van luchtvervuiling of de eigenschappen van materialen. Aardobservatiesatellieten hebben spectrometers aan boord om de samenstelling van de atmosfeer te onderzoeken, chemici identificeren chemische stoffen met behulp van spectrometers. Ook astronomie is een wetenschap die bij gebrek aan tastbare monsters zwaar op spectroscopie leunt. De kosmos wordt grotendeels onderzocht door licht uiteen te rafelen en te onderzoeken.

Misschien verhuist de spectrometer de komende jaren uit het wetenschappelijke domein. Het zou best eens een functie van nieuwe smartphones kunnen worden. De beloften zijn groot. Met een draagbare versie van het apparaat zou je bijvoorbeeld de rijpheid van fruit kunnen bepalen, of de samenstelling van lucht (en daarmee luchtvervuiling). En misschien liggen simpele medische analyses binnen het bereik, zoals het testen of huidbultjes goed- of kwaadaardig zijn.

Onderzoekers van onder andere de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) zetten nu een stap naar een draagbare spectrometer. Ze ontwikkelden een minuscule chip die licht uiteen rafelt en bepaalt hoeveel licht er van iedere kleur in zit. Het onderzoek is deze week in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications gepubliceerd.

Miniatuur

Licht bestaat uit een zogenoemd spectrum: dat is de verzameling van kleuren waaruit het licht is opgebouwd. Neem als voorbeeld wit licht, dat bestaat eigenlijk uit vrijwel álle kleuren zichtbaar licht. Dat is te zien bij een regenboog, als waterdruppeltjes in de atmosfeer het zonlicht als een prisma uiteenrafelen in alle kleuren van de regenboog. Net als wit licht bestaat vrijwel iedere tint licht uit een combinatie van verschillende kleuren (ofwel golflengtes) licht. Wetenschappers weten al honderden jaren dat dit een enorm handig gereedschap is. Door goed naar de aanwezige golflengtes licht te kijken kom je veel te weten over de aanwezige elementen en chemische stoffen. Die absorberen bepaalde golflengtes en/of zenden specifieke golflengtes uit.

Met een spectrometer neem je een spectrum onder de loep. Hij rafelt het licht als een prisma uit elkaar en bepaalt dan uit welke golflengtes het licht is opgebouwd. Handig voor de wetenschap, maar zo’n instrument vult doorgaans wel een hele tafel.

Alkali and alkaline earth metals emission spectrum
De emissiespectra van verschillende elementen. Ieder element is te herkennen aan specifieke ‘lijnen’: golflengtes waarop licht wordt uitgezonden op het moment dat de elementen bijvoorbeeld sterk worden verhit. Tegelijk zijn er golflengtes waarbij elementen en chemische stoffen bepaalde soorten licht opnemen, deze worden de absorptielijnen genoemd.
1115
Impressie van de microscopische spectrometer. Twee membranen die vlak boven elkaar zitten kunnen licht ‘vangen’ van een bepaalde golflengte. Als dat gebeurt dan genereert de opstelling een klein stroompje.
TU Eindhoven met toestemming

Wetenschappers van de TU/e en het onderzoeksinstituut AMOLF in Amsterdam hebben nu een prototype van een spectrometer gemaakt die makkelijk op een elektronische chip past. Hij is slechts vijftien bij vijftien micrometer groot (een micrometer is een duizendste van een millimeter). Het hart van de chip bestaat uit twee extreem dunne velletjes galliumarsenide die op een afstand van zo’n 200 nanometer van elkaar af hangen (zo’n 250 keer dunner dan een menselijke haar). De materiaalvelletjes werken als een soort val voor nabij-infrarood licht. Op het moment dat er licht van een specifieke golflengte op valt, wekt de sensor een klein maar meetbaar stroompje op.

Wat deze opstelling als spectrometer interessant maakt, is dat de afstand tussen de velletjes in te stellen is met een spanning (tot op een extreme precisie van 10-15 meter). Bij een andere afstand is de lichtval gevoelig voor een andere golflengte licht. Zo is het mogelijk om zo’n honderdduizend verschillende golflengtes licht te meten in een gebied in het infrarode spectrum dat tussen de 1310 en 1340 nanometer ligt. Door verschillende golflengtes een voor een te meten, brengt het apparaatje het spectrum in kaart.

Beweging

Rainbow fruit bowl
Kun je straks de rijpheid van fruit meten met je smartphone?

De onderzoekers testten hun opstelling succesvol als een detector voor het gas waterstoffluoride. Dat kan omdat deze chemische stof een soort licht absorbeert dat precies in het bereik van de sensor valt. Hoewel het bereik van de sensor met dertig nanometer relatief beperkt is, kan het gebruik van andere materialen volgens de onderzoekers leiden tot vergelijkbare sensors die andere golflengtes meten.

Naast het accuraat detecteren van waterstoffluoride werd de opstelling ingezet als gevoelige bewegingssensor. De spanning die de sensor genereert, verandert namelijk op het moment dat de eerder genoemde velletjes ten opzichte van elkaar bewegen.

Een mooie vinding, maar het blijft een prototype. Test je hiermee straks echt de rijpheid van een appel? Afgelopen jaar lieten wetenschappers van het Massachusetts Institute of Technology in ieder geval al een handzaam apparaatje zien dat de rijpheid van appels bepaalt met spectroscopie. De kleine spectrometer deed dat door op de schil naar de concentratie van chlorofyl (bladgroen) te kijken.

De wetenschappers uit Eindhoven en Amsterdam laten in een persbericht weten dat het nog minimaal vijf jaar duurt voordat de techniek volwassen genoeg is om te worden gebruikt buiten het lab. Tot die tijd zul je toch echt je fruit moeten proeven om erachter te komen of het eetrijp is.

Bron

  • Zobenica Ž. et al., Integrated nano-opto-electro-mechanical sensor for spectrometry and nanometrology, Nature Communications (20 december 2017), DOI:10.1038/s41467-017-02392-5
Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 22 december 2017

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.