Ultra-kompaktes Infrarot-Spektrometer: 2 cm² Chip für handgehaltene Chemikalienanalyse

Mobiltelefone können fast alles. Mit diesen Geräten könnte es sogar möglich sein, den Alkoholgehalt eines Biers oder den Reifegrad eines Obststücks zu bestimmen. Die heute für chemische Analysen verwendeten Infrarot-Spektrometer wiegen generalmente mehrere Kilogramm und sind schwierig in ein handgehaltenes Gerät zu integrieren.

Ein Chip von etwa 2 Quadratzentimetern Größe wurde entwickelt, der Infrarotlicht genauso analysieren kann wie ein konventionelles Spektrometer, das das einfallende Licht in zwei Pfade aufteilt, bevor es an zwei Spiegeln reflektiert wird. Die reflektierten Lichtstrahlen werden rekombiniert und mit einem Photodetektor gemessen. Das Verschieben eines der Spiegel erzeugt ein Interferenzmuster, das verwendet werden kann, um den Anteil verschiedener Wellenlängen im eingehenden Signal zu bestimmen. Da chemische Substanzen charakteristische Lücken im Infrarotspektrum erzeugen, können Wissenschaftler die resultierenden Muster nutzen, um zu identifizieren, welche Substanzen in der Testprobe vorkommen und in welcher Konzentration.

Dasselbe Prinzip liegt dem neuen Mini-Spektrometer zugrunde; jedoch wird im neuen Gerät das einfallende Licht nicht mehr mit beweglichen Spiegeln analysiert. Stattdessen nutzt es spezielle Wellenleiter mit einem optischen Brechungsindex, der extern über ein elektrisches Feld eingestellt werden kann. Die Variation des Brechungsindex hat einen Effekt, der dem ähnelt, was passiert, wenn die Spiegel bewegt werden, und ermöglicht die Dispersion des Spektrums des einfallenden Lichts auf die gleiche Weise.

Je nachdem, wie der Wellenleiter konfiguriert ist, können Forscher verschiedene Teile des Lichtspektrums untersuchen. Im Gegensatz zu anderen integrierten Spektrometern, die nur einen schmalen Bereich des Lichtspektrums abdecken können, kann das neue Gerät problemlos einen breiten Abschnitt des Spektrums analysieren. Das Spektrometer muss nur einmal kalibriert werden, im Gegensatz zu konventionellen Geräten, die wiederholte Neukalibrierung benötigen, und da es keine beweglichen Teile enthält, erfordert es weniger Wartung.

Forscher verwendeten ein Material, das auch als Modulator in der Telekommunikationsindustrie eingesetzt wird. Dieses Material hat viele positive Eigenschaften, aber als Wellenleiter schließt es das Licht ins Innere ein. Das ist weniger als ideal, da eine Messung nur möglich ist, wenn etwas von dem geführten Licht nach außen gelangen kann. Aus diesem Grund befestigten die Forscher feine Metallstrukturen an den Wellenleitern, die das Licht nach außen zum Gerät streuen.