Nahinfrarotspektrometer

Das Fraunhofer IPMS entwickelt miniaturisierte Spektrometersysteme für den mobilen Einsatz in vielfältigen Applikationen, wie z.B. im Agrar- und Lebensmittelbereich, in Pharmazie, Biotechnologie und Medizin als auch im Umwelt- und Recyclingbereich.

Das entwickelte miniaturisierte Gitterspektrometer ist mit einem Volumen von nur 2,1 cm³ etwa 30% kleiner als ein gewöhnliches Stück Würfelzucker und das derzeit kleinste NIR-Spektrometer weltweit. Durch den kompakten Aufbau, einem Gewicht von nur 17g und einer niedrigen Leistungsaufnahme im mW-Bereich ist es ideal zur Integration in mobile Analysegeräte zur Vorort-Messung. In der realisierten Ausführungsform adressiert es den NIR-Spektralbereich von 950-1900 nm bei einer spektralen Auflösung von 10 nm.

Ob Frischeprüfung von Lebensmitteln, sortenreine Trennung von Plastikgegenständen im Recycling, Bestimmung von Art und Konzentration von Ausgangsstoffen in der Pharmazie oder Messung der Zusammensetzung von Gasen und Flüssigkeiten im Verbrennungstrakt von Fahrzeugen: In jedem Fall geht es darum, Art und Konzentration von beteiligten Materialien möglichst zeitsparend qualitativ und quantitativ zu bestimmen. Die Spektroskopie, bei der Stoffe beleuchtet und Intensität und Wellenlänge des reflektierten Lichts analysiert werden, ist für all diese Anwendungen prädestiniert. Denn die Messung mittels elektromagnetischer Strahlung ist berührungsfrei, lässt die Probe unbeschadet und ist gleichermaßen für feste, flüssige oder gasförmige Stoffe geeignet.

Das Spektrometer verwendet ein spezielles zeitdiskretes Messprinzip, welches es ermöglicht, ein Spektrum mit einem einzelnen hochempfindlichen Detektor nur durch die Drehbewegung des integrierten MEMS-Gitters zu scannen. Zentrales Element des Spektrometers ist ein am Fraunhofer IPMS entwickeltes nur (9,5 × 5,3 × 0,5) mm³ messendes Mikro-Elektro- Mechanisches System (MEMS).

Das über den Eintrittsspalt einfallende Licht wird vom Kollimationsspiegel über den Scannerspiegel auf das Gitter geleitet. Die Auslenkung des Scannerspiegels verändert die Winkel im Spektrometer. Das gebeugte Licht wird gemäß der bekannten Gittergleichung n λ = g (sin β- sin α) reflektiert. Für ein bestimmtes Wellenlängenintervall trifft die rückgestreute Strahlung den Scannerspiegel so, dass das Licht über den Refokkusierspiegel den Austrittsspalt passiert und vom dahinter angeordneten Detektor erfasst wird. Die elektronischen Signale werden in bewährter Weise verarbeitet und das Spektrum für die Zielanwendung zur Verfügung gestellt.

Das neu entwickelte Spektrometer erreicht mit einem unveränderten Bauvolumen von ca. 2,1 cm³ den gleichen Spektralbereich von 950 nm … 1900 nm. Unter Beibehaltung der Auflösung von 10 nm reicht hierfür eine 50% verringerte Auslenkung des MEMS-Scanners von unter ±5° mechanisch aus.

Die NIR-Spektralanalytik adressiert speziell die Analyse von organischem Material im Bereich der Lebensmittel, Kunststoffe aber auch lebende Zellen. Hierbei können Anwendungen in Bereich der Ernährung, Life Science, Health und Medizintechnik für mobile Systemansätze adressiert werden. Weiterhin sind in der Kunststofftechnik und Petrochemie, im Recycling sowie in anderen Feldern weitere Anwendungen für tragbare Geräte absehbar, die schnelle Messungen vor Ort erfordern und einen wichtigen Beitrag zur Qualitätssicherung leisten.

Weiterentwicklung

Eine perspektivische Registeranordnung mehrerer spektral aufeinander abgestimmter Detektoren hinter jeweils einem passend vorgesehenen Spalt ermöglicht Weitbereichsanordnungen im sichtbaren und nahinfraroten Bereich.Beispiele sind in der Tabelle aufgeführt. In einem kompakten System können so noch mehr Information erfasst werden. Hierdurch eröffnet sich weiteres Potenzial für neue Anwendungen in der mobilen Spektralmesstechnik.