Met je mobieltje meten controleren of een gezwel kwaadaardig is, of de vis die je wil kopen nog goed is, dat kan over enkele jaren met een smartphone. Onderzoekers aan de TU Eindhoven hebben een sensor in de vorm van een spectrometer ontwikkeld die klein genoeg is om in een smartphone opgenomen te worden. De sensor ter grote van een speldenknop is bovendien veel goedkoper en net zo nauwkeurig als de huidige tafelgrote modellen voor wetenschappelijke doeleinden.
Smartphones worden al voor steeds meer medische functies gebruikt, al dan niet in combinatie met toegevoegde sensors in een aparte behuizing, via de camerasensor of in contact met een wearable zoals een pleister die hartslag meet. De minispectrometer die aan de TU Eindhoven is ontwikkeld, brengt nu de mogelijkheid dichterbij om met je mobieltje metingen te verrichten zoals de mate van luchtvervuiling (goed voor bijvoorbeeld COPD-patiënten), maar ook of een bultje op de huid kwaadaardig is of niet. De betrokken onderzoekers hebben hun uitvinding op 20 december in het journal Nature Communications gepubliceerd.
Spectrometrie - het analyseren van zichtbaar en onzichtbaar licht - kent een grote verscheidenheid aan toepassingen. Elk materiaal, elk weefsel heeft een eigen ‘voetafdruk’ qua absorptie en reflectie van licht, en is daardoor te herkennen met spectrometrie. Nauwkeurige spectrometers zijn echter groot omdat zij het licht moeten splitsen in verschillende kleuren (frequenties), die apart gemeten worden. Vlak na de lichtsplitsing overlappen de bundels van verschillende frequenties elkaar nog; zeer nauwkeurige metingen kunnen daarom pas op tientallen centimeters na de splitsing gedaan worden.
Andere meetmethode: lichtval
De Eindhovense onderzoekers hebben daarom een sensor ontwikkeld die op een heel andere manier tot net zo nauwkeurige metingen komt. De basis is een speciale ‘photonic crystal cavity’, een ‘val’ van slechts een paar micrometers groot waar invallend licht niet uit kan ontsnappen. Deze val zit in een membraan, waarin het gevangen licht een klein elektrisch stroompje opwekt, en dat wordt gemeten. Promovendus Žarko Zobenica maakte de cavity zo, dat die heel nauwkeurig is: hij houdt licht vast van slechts een heel klein frequentiegebiedje, en het licht op die frequentie kan hij dus meten.
alt="""" width=""1000"" height=""550"" data-htmlarea-file-uid=""4648"" data-htmlarea-file-table=""sys_file"" />
Beeld via elektronenmicroscoop van geperforeerd membraan, met in het midden de ‘photonic crystal cavity’ (de onderbreking van het gaatjespatroon). Linksonder een detail van deze 'lichtval'.
Om een groter frequentiegebied te meten werden twee van dergelijke membranen vlak boven elkaar gelegd. De twee membranen beïnvloeden elkaar. Bij elke verandering van afstand, hoe minimaal ook, schuift ook de lichtfrequentie op die de sensor kan waarnemen. De onderzoekers, onder leiding van hoogleraar Andrea Fiore en universitair hoofddocent Rob van der Heijden, voegden daarom een MEMS (een micro- elektromechanisch systeem) toe. Dit elektromechanisch bewegingsmechanisme laat de afstand tussen de membranen variëren en daarmee de gemeten frequentie.
Zo beslaat de sensor uiteindelijk een golflengtegebied van circa dertig nanometer. Binnen dit gebied kan de spectrometer grofweg honderdduizend frequenties onderscheiden, volgens een persbericht van de TU Eindhoven uitzonderlijk nauwkeurig. Dit is mogelijk doordat de onderzoekers de afstand tussen de membranen op enkele tientallen femtometers (10-15 meter) nauwkeurig kunnen bepalen. Om de bruikbaarheid aan te tonen, heeft het onderzoeksteam meerdere toepassingen bedacht, zoals een gassensor. Ook maakten ze een extreem gevoelige bewegingsmeter, door slim gebruik te maken van het feit dat de waargenomen frequentie verandert wanneer de twee membranen ten opzichte van elkaar bewegen.
alt="""" width=""480"" height=""319"" data-htmlarea-file-uid=""4646"" data-htmlarea-file-table=""sys_file"" />
Tekening van de sensor en zijn werking. Het blauwe, geperforeerde deel is het bovenste membraan, dat in het midden licht invangt. Dat zorgt voor een stroompje, dat gemeten wordt (A). De afstand van het blauwe membraan tot het rode membraan is variabel en kan nauwkeurig worden geregeld. Hierdoor verandert de lichtfrequentie die de sensor kan waarnemen.
Toepasbaarheid over 5 jaar
Volgens hoogleraar Fiore zal de nieuwe spectrometer niet eerder dan over vijf jaar toepasbaar zijn voor smartphones. Het bestreken frequentiegebied is nu nog te klein. De meter beslaat nu een paar procent van het meest bruikbare spectrum, het nabij-infrarood. Zijn groep gaat daarom werken aan het verbreden van het waarneembare spectrum. Ook gaan ze een extra element integreren met de micro-spectrometer: een lichtbron. Daarmee wordt de meter onafhankelijk van externe bronnen.
De verwachting is dat micro-spectrometers uiteindelijk net zo’n belangrijk element worden van de smartphone als de camera, vanwege de enorme breedte qua toepassingen. Denk aan het meten van CO2, rookdetectie, het vaststellen welk medicijn je vast hebt, het meten van de versheid van etenswaren, het meten van je bloedglucosespiegel.
Het onderzoek vond plaats in samenwerking met AMOLF, en kreeg financiering van NWO (STW Open Technologieprogramma). De fotonische chips werden gemaakt in het Nanolab en het Institute for Photonic Integration van de TU Eindhoven. Op het werkingsprincipe van de sensor is patent aangevraagd.
