Mini-Spektrometer fürs Handy

Forscher am Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik arbeiten an winzigen Sensoren, mit denen sich beispielsweise die Frische von Produkten im Supermarkt überprüfen lässt.

Ein Team aus sächsischen Wissenschaftlern will Smartphones in einigen Jahren zu ständig verfügbaren Chemikaliendetektoren machen. Die Forschergruppe, die beim Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik (FEP) und dem Institut für Angewandte Photophysik (IAPP) der TU Dresden beheimatet ist, hat dazu das Innenleben eines klitzekleinen Spektrometers entwickelt. Mit einem solchen chemischen Sensor ließe sich die Zusammensetzung zahlreicher Objekte, Gase oder Flüssigkeiten überprüfen und dann über eine Auswertungssoftware auf dem Handy anzeigen.

Als Anwendungsbeispiel nennen die FEP-Forscher die Nutzung im Supermarkt: Hält man hier dann sein entsprechend ausgestattetes Telefon ans Obst, lässt sich dessen Reife und Frische überprüfen. Mit dem Kleinstspektrometer könnten aber auch Sicherheitsbeamte am Flughafen Sprengstoffe aufspüren oder Diabetiker ihren Blutzuckerspiegel messen.

Der kleine Sensor nutzt in seinem Inneren Nanodrähte aus Gold in einer Länge von wenigen Hundert Nanometern und einem Durchmesser von nur 30 Nanometern, die als Antenne und Signalverstärker mit hoher Empfindlichkeit dienen. "Je nach Länge, Durchmesser, Material und gegenseitigem Abstand zueinander verstärken die Nano-Drähte das eintreffende Licht einer ganz bestimmten Wellenlänge. Man kann nun ein Antennen-Array aus Nano-Drähten unterschiedlicher Abmessungen, das heißt mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen, herstellen und somit ein breites elektromagnetisches Spektrum aufnehmen", erläutert das FEP in einer Mitteilung.

Die Antennen wirkten dabei gleichzeitig als optischer Verstärker, Konzentrator und optisches Filter. Besonders clever: Da die optisch-sensitive Antennen-Schicht mehrere Bauteile in einem vereine und direkt auf einem CCD/CMOS-Chip integriert werden könne, werde das Spektrometer extrem klein und den Gesamtchip kaum vergrößern. Resultat: Der Chemiesensor passt in ein Mobiltelefon.

Vom IAPP stammt das Produktionssystem für die Nano-Antennen. Dabei wird ein Substrat aus Aluminiumoxid verwendet, in dessen Poren ein elektrochemischer Wachstumsprozess abläuft. Arrays sollen sich auf acht Zoll großen Wafern herstellen lassen. FEP-Forscher helfen den Forschern der TU Dresden mit ihren Dünnschichtverfahren dabei, die unter anderem auf dem sogenannten Magnetron-Sputtern basieren.

Noch ist unklar, wann die Technik marktreif sein wird. Die Arbeit wird im Rahmen des Forschungsprojektes "NanoSPECS" vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert, das mindestens drei Jahre andauern wird.

Spektrometer stellen elektromagnetische Spektren dar und können diese ausmessen. Daraus lässt sich dann auf die Zusammensetzung einer Probe schließen. Reguläre Spektrometer wären für den Einbau in ein Smartphone viel zu groß und lassen sich ohne Technologiewechsel nur schwer weiter miniaturisieren. Der Nano-Antennen-Array-Ansatz verspricht nun einen Sensorchip ohne bewegliche Teile, der das gesamte Spektrum vom ultravioletten Licht bis in den Infrarotbereich erfassen und detektieren können soll.

Die Idee eines Kompaktspektrometers mit Handy-Anschluss ist nicht neu. Auf der Crowdfunding-Plattform Indiegogo wurde kürzlich ein Projekt mit über 380.000 Dollar bedacht, das zum Ziel hatte, einen entsprechenden Handscanner zu entwickeln. Dieser arbeitet in Zusammenarbeit mit einem Smartphone und einem Cloud-Dienst, um beispielsweise Inhaltsstoffe von Fertigprodukten zu bestimmen oder sicherzustellen, dass in einem Nahrungsmittel kein Gluten oder ein anderes Allergen steckt.

Auch sollen sich so chemische Verunreinigungen erkennen (und damit vermeiden) lassen, beispielsweise direkt im Supermarkt. Das mindestens 150 Dollar teure Gerät namens Tellspec soll im August nächsten Jahres an Vorbesteller ausgeliefert werden. Es basiert auf dem Raman-Prinzip und nutzt einen Niederspannungslaser. (bsc)