Das zunehmende Gesundheitsbewusstsein hat den Markt für Wearables und intelligente mobile Geräte beflügelt, die es Konsumenten ermöglichen, die eigenen Vitalparameter zu überwachen. Ein nächster Schritt ist es, gesundheitsbewussten Verbrauchern zu helfen, Inhaltsstoffe ihrer Lebensmittel zu analysieren. Durch jüngste Entwicklungen im Bereich breitbandiger Nahinfrarot-LEDs, den sogenannten NIREDs, eröffnen sich neue Anwendungsbereiche für die mobile Spektroskopie.
Die Technologie wird es den Verbrauchern ermöglichen, Nährstoffe, Kaloriengehalt und Frische in Lebensmitteln mit denselben Smartphones oder tragbaren Geräten zu messen, mit denen sie bereits Herzfrequenzen und Pulsoximetrie überwachen. Osram Opto Semiconductors ist bis dato der einzige Anbieter von NIREDs mit entsprechend breitem Wellenlängenbereich und geringer Baugröße, die eine Integration von Spektroskopie-Anwendungen ins Smartphone erlauben. Verbraucher sollen dadurch ein Stück mehr Unabhängigkeit erhalten.
Mobile Spektroskopie – wie funktioniert das?
Die auf LED-Technologie 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. Mithilfe von entsprechendem Zubehör können Infrarotspektrometer eine Vielzahl von Probenarten wie Gase, Flüssigkeiten und Feststoffe erfassen. NIREDs fungieren dabei als kompakte Lichtquelle für das Spektrometer.
Miniaturisierung ermöglicht Nutzung in Smartphones
Möglich wird dies durch eine neue Generation von Nahinfrarot-LEDs wie die Oslon Black SFH 4736 oder Synios SFH 4776. Durch eine neuartige Phosphortechnologie und eine integrierte Linse erreicht die Oslon Black SFH 4736 gut 60 Prozent mehr Strahlstärke im Vergleich zu Vorgängerkomponenten.
Die Primäroptik bündelt dabei 90 Prozent des erzeugten Lichts in einem Abstrahlwinkel von +/-40 Grad 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. Die Synios SFH 4776 mit ihrem winzigen und robusten Gehäuse ermöglicht laut Osram diese beeindruckende Intensitätssteigerung.
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 jedoch auch die Integration von NIREDs für Anwendungen in Geräten mit sehr beschränktem Platz, wie Mobiltelefone.
Blaues in infrarotes Licht umwandeln
Die Grundlage der beschriebenen NIREDs ist ein blau emittierender 1-mm2-Chip auf Basis der von Osram Opto Semiconductors entwickelten UX:3-Chiptechnologie, der eine hocheffiziente Lichtausbeute auch bei hohen Stromstärken ermöglicht. Sein blaues Licht wird mittels 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 1.050 nm auf. Die Oslon Black Flat SFH 4735, Oslon Black SFH 4736 und Synios SFH 4776 sind nach Herstellerangaben die ersten und bislang immer noch einzigen LEDs mit diesem breiten Wellenlängenspektrum im Nahinfrarot-Bereich.
Frische-Messung mit dem Smartphone
Es entsteht eine neue Generation von Endgeräten, die mithilfe von breitbandigen Nahinfrarot-Emittern, einem kompakten Spektrometer und der Verbindung zu einer Datenbank mittels Cloud-Technologie die Daten mit Material- und Referenzdaten für die Analyse vergleichen. Durch die Analyse des Absorptionsspektrums eines unbekannten Materials und dem Abgleich dieser Messung mit einer Datenbank von bekannten Molekülen ist es möglich, die Existenz und die Menge bestimmter Inhaltsstoffe zu bestimmen, wie beispielsweise den Kakaoanteil in einem Schokoladenriegel.
Verbraucher können damit also künftig durch Scannen jedes Artikels mit ihrem Smartphone überprüfen, wie frisch Supermarktlebensmittel sind, die Kalorien in Kantinenessen messen und überprüfen, ob ein Medikament tatsächlich ein Schmerzmittel ist und wie hoch die darin enthaltene Wirkstoffkonzentration ist. Die auf diese Weise ermittelten Daten wären dann auch unabhängig von den Herstellerangaben auf der Verpackung oder neuen Konzepten wie der viel diskutierten Lebensmittel-Ampel.
Erste Geräte für Endverbraucher vorgestellt
Erste Geräte mit der neuen NIRED-Technologie wurden bereits im Endverbraucher-Segment vorgestellt. Ein Beispiel ist das Mikrospektrometer SCiO, das vom israelischen Start-up Consumer Physics vorgestellt wurde. Mit den NIREDs von Osram ähnelt die Cloud-basierte Lösung in Form und Größe einer Streichholzschachtel. Das Gerät nutzt die Infrarot-Spektroskopie, um bestimmte Substanzen und Moleküle in Lebensmitteln, Medikamenten und sogar im menschlichen Körper zu identifizieren und in Echtzeit zu analysieren. Dadurch erhalten Verbraucher und Unternehmen unmittelbar relevante und umsetzbare Erkenntnisse über die physische Welt.
Die Nahinfrarotspektroskopie steht noch am Anfang und wird noch viele weitere neue Anwendungsgebiete eröffnen, sowohl für Konsumenten als auch für den professionellen Einsatz. Im professionellen Bereich kann die Technologie unter anderem helfen, sogenannte Smart-Farming-Lösungen zu realisieren. Landwirte können damit beispielsweise den richtigen Zeitpunkt für die Ernte bestimmen, indem sie Obst, Gemüse oder Getreide mit einem Spektrometer mit integrierter NIRED scannen, das in einem Smartphone oder Tablett verbaut ist und ihnen in Echtzeit zuverlässige Informationen über den Nährstoffgehalt und die Ausprägung der Fruchtreife liefert.
