Breites Spektrum

Spektroskopie im Miniaturformat bringt das Labor zur Probe

Rund 200 Jahre ist es her, da entwickelte Joseph von Fraunhofer das Spektroskop und erforschte damit das Farbspektrum der Sonne. Heute lassen sich mit einem Spektrometer die Spektren auch ausmessen. Die Methode wird häufig dort eingesetzt, wo Materialien und ihre Qualitäten geprüft werden sollen. Noch allerdings ist ihre Anwendung meist speziellen Laboren vorbehalten, denn die Apparturen müssen immer wieder neu kalibriert werden. Fraunhofer-Forscher*innen ist es nun gelungen, die Geräte deutlich zu verkleinern und ein System zu entwickeln, das mobil und flexibel eingesetzt werden kann.

Sie wollen den Zuckergehalt einer Weintraube feststellen? Oder mehr über die molekulare Zusammensetzung eines pharmazeutischen Fluids wissen? Sie wollen erfahren, welche Polymere ein Kunststoffprodukt enthält oder mehr über die Art und den Zustand eines Holzteils herausfinden? Dann nutzen Sie ein Spektrometer. Denn das Vermessen des elektromagnetischen Wellenspektrums eines Objekts erlaubt sehr präzise Rückschlüsse auf seine Zusammensetzung und damit auch auf seine Reinheit, Herkunft, Qualität oder Beständigkeit.

Ideal dafür sind hochpräzise NIR-Spektrometer. Diese optischen Apparate erfassen die spektrale Zusammensetzung des reflektierten Lichts im Nahinfrarotbereich (NIR), also auch außerhalb des für den Menschen sichtbaren Farbraums. Und weil diese Untersuchung berührungslos möglich ist, lassen sich NIR-Spektrometer (aber nicht nur diese) nicht nur bei der Analyse fester, sondern auch von flüssigen Stoffen nutzen.

Das allerdings ist nur die eine Seite der Medaille, denn wer mit dem Spektrometer arbeitet, muss auch deutliche Nachteile in Kauf nehmen: Das Gerät allein liefert lediglich einen spektralen Fingerabdruck, der an sich kaum erkenntnisreiche Aussagen über die Eigenschaften einer Probe erlaubt. Es misst also weder den Reifegrad einer Frucht noch die chemische Zusammensetzung eines Kunststoffes. Um Fragestellungen wie diese zu beantworten, sind weiterführende Analyseschritte notwendig. Und dafür muss zunächst ein auf die jeweilige Untersuchung spezialisiertes Kalibrierungsmodell erstellt werden.

Individuelle Kalibrierungsmodelle

In diesem Modell werden die Referenzspektren festgelegt, die beispielsweise den verschiedenen Polymerverbindungen von Kunststoffen entsprechen. Danach kann die Analysesoftware die Referenzdaten mit den am Spektrometer erfassten Spektralwerten vergleichen und so die Art und Zusammensetzung des Materials bestimmen. Diese und weitere Vorbereitungen sowie die Durchführung der spektroskopischen Material- und Qualitätsanalysen erfordern allerdings spezifisches Know-how und viel Zeit. In der Regel wird das Verfahren deshalb in darauf spezialisierten Laboren und nur an Stichproben durchgeführt. »Das Potenzial, das die Spektroskopie für die Qualitätssicherung an sich bietet, kann deshalb nur unzureichend genutzt werden«, konstatiert Julius Krause vom Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB. Außerdem: »Wäre das Analyseverfahren einfacher, schneller und kostengünstiger, ließe sich beispielsweise jedes einzelne Produkt einer Fertigungslinie auf seine Qualität hin prüfen. Oder die Spektrometrie könnte im Recycling dafür eingesetzt werden, Kunststoffe oder Holzarten zu sortieren.« Er und sein Team vom Fraunhofer IOSB sowie Forscher*innen des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS haben deshalb ein neuartiges System für Spektralanalysen entwickelt, das sich mit wenig Aufwand in Produktionsumgebungen einbetten lässt oder auch eine flexible Anwendung in der Fabrikhalle oder auf dem Acker ermöglicht.

Das vielleicht wichtigste Ziel in ihrem von der Fraunhofer-Gesellschaft unterstützen Eigenforschungsprojekt haben sie bereits erreicht: Ein MEMS-basiertes Nahinfrarot-Gitterspektrometer im Miniformat, das modular aufgebaut ist und nicht einmal mehr die Größe eines Würfelzuckers hat.

Spektrometer in Sensorgröße

»Diese kompakte Messeinheit haben wir am Fraunhofer IOSB nun weiterentwickelt und um ein intelligentes Analysesystem ergänzt«, erklärt Krause. In Bezug auf Messpräzision und Funktionsumfang reiche ihr Spektroskopie-Sensor mit Analyseeinheit zwar bei Weitem nicht an ein klassisches, hochpräzises Labor-Spektrometer heran. Das sei allerdings auch gar nicht nötig. Denn durch den modularen Aufbau und eine eigens entwickelte, spezielle Software kann das System individuell für die jeweilige Analyse zusammengestellt werden.

Datenanalyse im Sensor

Wie beim Laborgerät ist zwar auch beim Spektrometrie-Sensor erforderlich, dass das System die Beziehungen zwischen den Lichtreflexionen des Messobjekts und den zu bestimmenden Materialparametern kennt. »Bei unserem Sensorsystem erledigt diese Aufgabe eine KI«, so Krause. Die Auswertung der erfassten Spektraldaten übernimmt ein am Fraunhofer IOSB entwickeltes KI-Modell, das in die Sensoreinheit integriert ist. Die Anwender*innen müssen mit der Sensoreinheit lediglich eine Reihe von Referenzobjekten erfassen, für die die zu detektierenden Materialparameter bereits bekannt sind. Soll das System beispielsweise den Reifegrad einer Apfelsorte messen können, werden nacheinander Äpfel verschiedener Reifestufen gemessen. Anhand dieser Referenzwerte lernt es dann selbsttätig das für die Aufgabe erforderliche Kalibrierungsmodell.

Einfache Systemanpassung

Um die Flexibilität weiter zu erhöhen, ist die Messtechnik des Sensors nicht proprietär festgelegt. Der Wellenbereich, in denen die Reflexionen des beleuchteten Objekts erfasst werden, lässt sich am Sensor selbst zwar nicht so direkt einstellen, wie an einem klassischen Spektrometer. Stattdessen lassen sich je nach Untersuchungsaufgabe die benötigten Komponenten zur Erfassung und Beleuchtung individuell aus dem Modulbaukasten auswählen. »Die Modularisierung der Software sowie der optischen Komponenten ermöglicht die optimale Anpassung an spezifische Anforderungen und eine sehr schnelle Entwicklung passgenauer Systemlösungen«, betont Krause.

Von Industrie 4.0 bis mobil

Der Industrie bringt das modulare und variable Sensorsystem künftig umfassende und neuartige Möglichkeiten, vor allem in der Qualitätssicherung. Speziell für die Einbindung in Fertigungsprozesse haben die Forscher*innen in den Sensor eine Kommunikationsschnittstelle nach den OPC-UA-Standards (Open Platform Communications United Architecture) integriert. Da die Messwerte bereits am Sensor fertig kalibriert und analysiert werden, lassen sich die qualitätsrelevanten Materialparameter unmittelbar in das Monitoring- und Steuerungssystem der Produktionsanlage einspielen. »Ebenso problemlos lässt sich das Spektrometer-Sensorsystem als mobiles Handheldgerät verwenden. Perspektivisch dürfte eine noch weiter miniaturisierte Version möglich werden, die dann beispielsweise auch in Smartphones verbaut werden könnte«, erklärt Krause. Die Möglichkeiten im mobilen Einsatz dürften dann noch weiter wachsen – für Qualitätschecks im Lebensmittelhandel etwa oder zur Wachstums- und Reifekontrolle direkt auf landwirtschaftlichen Anbauflächen.

(stw)

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