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NIR-Spektroskopie

Lebensmittelanalyse mittels NIR-Spektroskopie

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Der klassische Ansatz für ein derartiges System basiert auf einem fest montierten Gitter, welches das Licht in einer Richtung in seine spektralen Bestandteile aufspaltet. Zur Erfassung spektraler und geometrischer Komponenten entlang der Erfassungslinie sind zweidimensionale Detektoranordnungen, vergleichbar mit Kamerachips, erforderlich. Im sichtbaren Spektralbereich können Detektoren in Siliziumtechnologie verwendet werden. Diese sind bis ca. 1100 nm Wellenlänge empfindlich. Da die chemischen Informationen jedoch nur im Wellenlängebereich darüber zuverlässig erfasst werden können, sind NIR-empfindliche Detektoren erforderlich. Aufgrund der notwendigen Technologie (InGaAs, PbS, PbSe) sind diese Bauelemente und damit die Gesamtsysteme für einen breiten Einsatz zu teuer.

Reduktion des Systempreises durch MEMS-Technologie

Der Systempreis wird in erster Linie vom Detektorpreis dominiert. Wenn es gelingt, die Dimension des Detektors zu reduzieren, das heißt statt eines zweidimensionalen Detektorchips nur eine Zeile für das Hyper Spectral Imaging zu verwenden, könnte damit auch der Preis des Systems reduziert werden. Den Forschern des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme (IPMS) ist dies durch den Einsatz der MEMS-Technologie (Mikro-Elektro-Mechanische Systeme) gelungen.

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Ein möglicher Ansatz hierzu ist die Verwendung eines beweglichen Bauteils und die zeitsequenzielle Erfassung der Signale. Basierend auf einem Scannerspiegel, der in einer Richtung durch einen resonanten kapazitiven Antrieb ausgelenkt werden kann, wurde ein Schwinggitterchip entwickelt. Bei diesem Bauelement wurde statt der einfachen Spiegelplatte eine reflexionsoptimierte Gitterstruktur in die Oberfläche geätzt. Für Nahinfrarot-Spektrometer wurde dieser Ansatz bereits erfolgreich umgesetzt. Das entstandene Spektrometer SGS 1900 wird von der IPMS-Ausgründung Hiperscan kommerziell angeboten.

Für den Einsatz im Bereich des Hyper Spectral Imaging wurde der Chip abgewandelt, sodass jetzt die Bewegung, die Erfassung der spektralen Komponenten über die Zeilenelemente und die geometrische Auflösung in der Querrichtung der Förderbandbewegung zeitsequenziell aufgenommen werden kann.

Hyper Spectral Imaging System basierend auf MEMS-Schwinggitterchips

Basierend auf der MEMS-Technologie wurde ein Demonstrator für ein bildgebendes Spektrometer entwickelt. Er ist zur Montage über einem Förderband vorgesehen. In diesem System wird die Querbewegung mit einer Frequenz von 150 Hz gescannt. Der Detektor kann mit bis zu 20 kHz ausgelesen werden. Derzeit werden etwa 50 Bildpunkte in der Querrichtung aufgelöst, bei einer Förderbandbreite des Testsystems von 40 cm entspricht diese einer Auflösung von 8 mm. Spektral wird der Bereich von 1100 nm bis 2200 nm mit 256 Elementen erfasst, was einer Auflösung von etwa 4 nm entspricht. Die sinusförmig aufgenommenen Einzelpunkte werden wie in der digitalen Fotografie in ein matrixförmiges spektral aufgelöstes Bild umgerechnet. Das von dem neu entwickelten System erzeugte Bild hat derzeit in der Querdimension 50 Pixel und in der spektralen Dimension 256 Elemente. Es wird in der Föderbandrichtung laufend mitgeschrieben.

Messwerte und Auswertung der Spektren

Aus den Messwerten können durch eine entsprechende Auswertung der Spektren die chemischen Zusammensetzungen ermittelt werden. Für eine erste Demonstration des Messsystems wurden Kunststoffproben aus verschiedenen Materialien untersucht. Die Ergebnisse werden als Falschfarben in Abhängigkeit des erkannten Materials angezeigt. Nach der Auswertung der großen Anzahl spektraler Messwerte wird eine geringe Datenmenge extrahiert, z.B. die Konzentrationen der Hauptkomponenten bei Lebensmitteln.

Berechnung von Modellen und Ermittlung von Referenzwerten nötig

Das System wurde erfolgreich realisiert und erprobt. Für Anwendungen im Lebensmittelbereich müssen entsprechende Modelle berechnet und die notwendigen Referenzwerte ermittelt werden. Die komplexere Mathematik stellt hohe Anforderungen an die Rechentechnik. Derzeit werden erste Musteruntersuchungen an Lebensmitteln mit normalen NIR-Spektrometern durchgeführt. Sobald brauchbare Ergebnisse vorliegen, wird erprobt, wie diese auf das bildgebende Spektrometer übertragen werden können.

*Fraunhofer für Photonische Mikrosysteme (IPMS), 01109 Dresden,**Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie (ICT), 76327 Pfinztal-Berghausen

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