Spektroskopie auf nur 2 x 3 Millimetern

Duotec begleitet seine Kunden dabei, die Duotec-Technologieplattform in ihre Produkte zu überführen. Ein wichtiger Produktbereich dabei sind Spektrometer.

Spektrometer, das klingt nach schweren Laborgeräten, die groß und teuer sind. Duotec allerdings bietet ein günstiges Chip-Spektrometer an. „Dieses ist im Kern gerade mal circa 2 x 3 mm groß und man kann unglaubliche Dinge damit analysieren“, freut sich Johannes Schaefer. Vor den technischen Details stehen aber die vielfältigen Applikationen. „Damit klar wird, was hinter unserem Spektrometer steht und was man damit machen und erreichen kann.“

Waschmaschinen, Labor, Kuhstall

Was wäre zum Beispiel, führt Schaefer an, wenn Benutzer in ihrer Waschmaschine nicht einfach nur Waschmittel zugeben können und dann sicherheitshalber ein bisschen mehr dosieren, damit die Wäsche auch sauber wird. Was wäre, wenn die Menge an Waschmittel entsprechend dosiert würde anhand der Verschmutzung der Wäsche? Heute wird das über Trübungssensoren realisiert. Man schaut, wie schmutzig ist die Lauge und gibt dann mehr oder weniger Waschmittel hinzu oder wählt eine höhere oder niedrigere Temperatur. Moderne Waschmaschinen werden in der Lage sein, einzelne spezielle Waschmittel für spezielle Verschmutzungen zu dosieren. Das heißt, man ist in der Lage, das Waschergebnis noch besser zu gestalten, noch weniger Waschmittel zu nehmen, aber dafür das richtige. Dafür ist es notwendig, genau zu analysieren, welche Zusammensetzung besteht. Schaefer: „Und das kann man mit solch einem Spektrometer tun.“

Eine andere Anwendung findet sich zum Beispiel in der Agrartechnik, und zwar im Bereich von Melkständen. Der Landwirt kann die Milch exakt analysieren, ist sie optisch verunreinigt? Befindet sich zum Beispiel ein Tröpfchen Blut in der Milch, was auf Krankheiten hindeutet, lässt sich der Melkprozess sofort abbrechen, ohne die ganze Milchernte zu kontaminieren. In Agrarwirtschaft oder Handels können die Verantwortlichen überprüfen, wie weit Lebensmittel gereift sind. „Reifeprozesse von Lebensmitteln werden heutzutage bewusst gesteuert durch verschiedene Themen, durch Begasung, durch Temperaturwechsel. Man kann dort mit Hilfe unseres Spektrometers automatisiert und und in der Tiefe durch die Analyse der Oberflächenstruktur und auch der Farbgebung sehen, wie weit ist die Reifung fortgeschritten“, konkretisiert Schaefer die Vorteile.

Was wäre, fragt sich Schaefer, wenn sich im Bereich Kosmetik oder auch der Hautanalyse verlässliche Daten ermitteln ließen, wie der Zustand der Haut ist, was man entsprechend unternehmen kann und muss oder auch welche Inhaltsstoffe die verwendeten Präparate beinhalten. „Sind sie frei von Schadstoffen, was ist überhaupt enthalten? Auch solche Gesichtspunkte könnten die Anwender analysieren.“ Im Bereich der Blutanalyse, Point of Care, wäre die Analyse der verschiedene Inhaltsstoffe des Blutes dank des Spektrometers von Duotec mit einem kleinen Tröpfchen statt mit Ampullen möglich, die man umständlich ziehen und ins Labor schicken muss. Dieser Umstand verkürzt die Analysezeiten, in Zukunft ließe sich die Analyse vielleicht sogar in die Hände des Patienten selbst legen.

In der Gassensorik, in der üblicherweise mit Indikatorstreifen gearbeitet wird, wäre nicht die unterschiedliche Sehkraft des Durchführungen entscheidend sowie ein manueller Vergleich der Farben, die dann interpretiert werden muss. „Wir können mit unserem Spektrometer automatisiert und reproduzierbar Farbwechsel oder Farbnuancen unterscheiden und darüber Analysen fahren“, freut sich Johannes Schaefer.

Details vom Chip

Für all diese Beispiele benötigt der Anwender keine großen klobigen Laborgeräte, es reicht das Spektrometer von Duotec aus, das auf einem Chip mit der Größe von circa 2 x 3 mm basiert. „Es ist winzig klein und vollständig implementiert in Applikationen, die überall in verschiedenen Bereichen auftauschen. Das eröffnet neue Möglichkeiten, die wir mit dieser Technologie dem Markt zur Verfügung stellen“, erklärt Johannes Schaefer.

Wie sieht der Chip im Detail aus? Im oberen Bereich liegen die einzelnen Pads, wo die Wirebonds angeschlossen werden. Im Reinraum passiert das mit einer Wedge-Wedge-Verbindung. Da wird der Dye mit der Applikation beziehungsweise der Leiterplatte verbunden. „Das Ganze ist ein CMOS-Bauteil aus Silizium. Das bedeutet, wir betreiben hier Spektroskopie im sichtbaren Bereich zwischen 400 und 1000 nm, also im sichtbaren Bereich bis Nah-Infrarot. Die einzelnen empfindlichen Kanäle haben eine Breite zwischen 20 und 50 nm. In Summe gibt es 270 Kanäle, die einzelne Farbbereiche aufnehmen können und zusätzlich dazu gibt es weitere 30 Polarisationsfilter, die Polarisation und Winkel verarbeiten. Das gibt weitere Aufschlüsse über die Struktur, die man vor sich hat. Man kann damit auch entsprechende Stoffanalysen fahren.“

Das Ganze ist kombiniert und voll integriert auf einer Einheit, zusätzlich auch noch Signalvorverarbeitung. Das heißt, die aufgenommenen Messsignale können dann per Serial Peripheral Interface (SPI) übertragen werden, mit einer extrem kleinen Bauform, die sich überall problemlos einbinden lässt.