Lebensmittel-Qualität oder Autolack mit Mini-Spektrometer 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 der Lebensmittel 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 der Lebensmittel 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.

Kleiner als ein Stück Würfelzucker

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 am Spektrometer verrät den Forschern, wie viel von welchem Stoff in dem Lebensmittel enthalten ist.

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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.