Stel, de houdbaarheidsdatum van je kipfilet of potje yoghurt is verstreken. Dat betekent niet noodzakelijk dat het product ook daadwerkelijk bedorven is. Maar hoe kom je dat met zekerheid te weten?

Wel, zo: gewoon even de kip of yoghurt in kwestie scannen met je smartphone. Dat is althans wat fotonica-expert Andrea Fiore voor ogen heeft. Hij en zijn onderzoeksteam aan de Technische Universiteit Eindhoven werken aan een mobiele toepassing van de spectroscopie, een lichttechniek die materialen analyseert. Slaagt Fiore in zijn opzet, dan worden onze smartphones weldra nog een pak veelzijdiger dan ze nu al zijn.

Spectrometers spelen al decennia­lang een cruciale rol in de wetenschap. De optische instrumenten meten de lichtintensiteit in een materiaal en bepalen zo uit welke chemische stoffen het materiaal bestaat. Sterrenkundigen steunen in grote mate op de techniek. Door licht te ontleden en de verschillende frequenties ervan te onderzoeken, komen ze meer te weten over de kosmos. Ook satellieten die de samenstelling van de atmosfeer moeten analyseren, hebben spectrometers aan boord.

Handig, maar in hun huidige vorm kosten deze apparaten makkelijk duizenden euro’s per stuk en zijn ze te groot om eenvoudig te verplaatsen. Enkel in analytische laboratoria behoren ze tot de standaarduitrusting. Dat kan snel veranderen. Fiore wil een nieuwe spectrometer ontwikkelen, een die niet alleen spotgoedkoop is, maar ook piepklein. Hij wil een draagbaar lab bouwen.

Mobiele spectrometers vergroten de toepassingsmogelijkheden van de bestaande toestellen. Ze laten gebruikers toe om metingen te verrichten waar ze maar willen. Burgerwetenschappers kunnen het gehalte van broeikasgassen in hun omgeving meten. Biologen kunnen een bodemmonster nemen en ter plaatse de samenstelling en kwaliteit meten van de bodem zelf en het water die hij bevat. En voor artsen wordt het dan weer mogelijk een weefseltest uit te voeren bij een patiënt terwijl die op consultatie is. De spectrometer ontleedt het lichtspectrum van een stukje huidweefsel, waarna de arts kan nagaan of het spectrum wel of niet overeenkomt met dat van gezond weefsel.

Ook in de land- en tuinbouw kan een spectrometer van pas komen, onder meer om gewassen te monitoren en verzorgen. Zo werken aardbeitelers straks misschien met een plukrobot die is uitgerust met een spectrometer en een camerasysteem. De robot gebruikt de spectrometer om via hun kleur rijpe vruchten te onderscheiden van onrijpe exemplaren.

Het stond in de sterren geschreven dat mobiele telefoons vroeg of laat zouden worden gebruikt voor spectroscopisch onderzoek. Een aantal jaar geleden ontwikkelden wetenschappers aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) een methode om een smartphone de rijpheid van verschillende soorten appels te laten bepalen. Aan het oppervlak van het fruit maten de onderzoekers met een spectrometer hoeveel chlorofyl of bladgroen het fruit bevatte. De concentratie aan die stof is een betrouwbare indicator voor rijpheid. Na de meting werden de resultaten onmiddellijk geanalyseerd met een smartphone die aan de spectrometer was aangesloten.

De spectrometer die de onderzoekers aan het MIT hadden gebouwd, past in je broekzak. Dat is klein, maar Fiore ziet het nog veel kleiner. Waar anderen zich tevreden stellen met mini, mikt hij op niets groter dan micro.

Fiore wil een spectrometer ontwikkelen die past op een optische chip, om die op zijn beurt in een smartphone te kunnen verwerken. ‘Binnenkort zal elke nieuwe smartphone zijn uitgerust met een eenvoudige microspectrometer’, beweert hij. ‘De sensor vangt licht en meet het spectrum ervan. Via je smartphone kan je dat lichtspectrum online vergelijken met een database van meerdere spectra. Zo kan je eenvoudig zelf eigenschappen van materialen, weefsels en gassen vaststellen.’

‘Het Internet of Things houdt in dat we ons straks omringen met grote hoeveelheden sensoren’, vervolgt Fiore. ‘Zo zullen we uiteindelijk zowat alles op elk moment kunnen nagaan. Hopelijk kan een smartphone voorzien van een microspectrometer ons minder afhankelijk maken van grote bedrijven en overheden, die voorlopig nog als enigen metingen en controles verrichten.’

Op dit punt heeft Fiore al een prototype van een microspectrometer klaar. Daarvoor werkten hij en zijn Eindhovens team samen met het onderzoeksinstituut AMOLF in Amsterdam. Ze bouwden een ingenieuze chip met een oppervlakte van vijftien bij vijftien micrometer – een micrometer is een duizendste van een millimeter. Daarop brachten ze de functies van golflengteselector en intensiteitssensor samen.

Het hart van de chip bestaat uit twee membranen: ultradunne velletjes galliumarsenide. Dat is een belangrijke halfgeleider die je ook vindt in lasers en zonnecellen. De membranen hangen op een afstand van zo’n tweehonderd nanometer van elkaar af – zo’n 250 keer kleiner dan de dikte van een menselijk haar. Ze werken als een soort val voor invallend licht.

De photonic crystal cavity, zoals de val heet, zit middenin een geperforeerd membraan. Het licht zit er opgesloten, een beetje zoals in een optische glasvezel. ‘In die ruimte vangen we licht via onderdelen die op nanoschaal beweegbaar zijn. Dat maakt het mogelijk om lichtgolven op verschillende spectra te analyseren’, aldus Fiore. ‘Onze microspectrometer ontleedt het nabij-infrarode spectrum, waardoor we informatie kunnen verzamelen die onzichtbaar blijft voor het menselijk oog.’

Momenteel zijn de onderzoekers met hun technologie in staat een golflengtegebied van circa dertig nanometer te bestrijken. De microspectrometer onderscheidt binnen dat gebied ongeveer honderdduizend frequenties. Voor de meeste toepassingen schiet die radius nog tekort. Fiore wil daarom het waarneembare spectrum verbreden. Hij verwacht het bereik te kunnen oprekken tot enkele honderden nanometer. Wanneer hij daarin slaagt en zijn microspectrometer de binnenkant van onze smartphones begint te sieren? ‘Reken op nog minstens vijf jaar.’

Met dank aan Lien Smeesters