Stel je dit eens voor. Je bent je boodschappenlijstje aan het samenstellen. In plaats van de houdbaarheidsdatum te controleren van de verpakkingen in je koelkast of door de groentelade te snuffelen en sla, wortelen en tomaten te inspecteren, "ondervraagt" je “slimme” koelkast in realtime de status van de opgeslagen verpakte bederfbare voedingswaren en stuurt de resultaten naar je telefoon... (en terzijde geeft het een duimpje omhoog voor de hoeveelheid planetaire hulpbronnen die je vermeden hebt te verspillen).
Klinkt als een scène uit een film die zich afspeelt in 2080? Afgezien van de discussie over wat onze voedingsgewoonten in de komende jaren zouden kunnen worden, is een contactloze stand-off on-demand inspectie van verpakte voedingsmiddelen precies wat een Frans-Vlaamse samenwerking de afgelopen vier jaar heeft ontwikkeld in het kader van het Terafood-project (gefinancierd door het Europese programma INTERREG van het Europees Fonds voor Regionale Ontwikkeling). Een slimme koelkast zal misschien nog niet in de komende jaren op de markt komen, maar de innovatieve sensortechnologie die de Terafood-partners hebben ontwikkeld, zou een grote impact kunnen hebben bij de bestrijding van verspilling van voedsel- en hulpbronnen in de hele keten van producent tot gebruiker in de voedings- en agro-industrie.
Het innovatieve idee van het Terafood-project is gebaseerd op de eenvoudige vraag: kunnen we informatie krijgen over de kwaliteit van een voedselproduct zonder het uit zijn beschermende verpakking te hoeven halen? Met andere woorden: kan men een chemische analyse uitvoeren van de headspace van een verpakking zonder er fysiek toegang toe te hebben?
Een wetenschappelijk raadsel op het eerste gezicht. Stel deze vraag in je omgeving en één antwoord zou kunnen luiden: als er niet aan kan worden geroken, dan kan het niet. Een geavanceerde vorm van “snuffelen” is precies het type chemische analyse dat het meest wordt gebruikt in de voedingsindustrie. De atmosfeer van de verpakking wordt bemonsterd en de samenstelling ervan wordt geanalyseerd met behulp van zogenaamde massaspectroscopie. Een zeer nauwkeurige (zij het dure) techniek, maar onmogelijk toe te passen zonder de integriteit van de verpakking te vernietigen. Hoe zit het met de kleur? Het "kijken" naar het voedsel door de verpakking heen kan ons toch iets vertellen over de toestand ervan. Als het er echt zichtbaar bedorven uitziet, is er uiteraard weinig twijfel. Maar er is een enorm spectrum van andere "kleuren" waarmee men naar een voorwerp kan kijken. Men kent allemaal de infraroodcamera's en hoe die informatie geven over de temperatuur van een stof. Maar wat echt nuttig zou zijn, is het detecteren van een “kleur” die iets zegt over de samenstelling van de atmosfeer in het pakket. Een dergelijke soort straling vormt de kern van de detectietechnologie in het Terafood-project. "Lichtgolven" met zogenaamde terahertz-frequenties zijn een extreme vorm van infrarood licht, grenzend aan microgolfstraling, ons allemaal bekend van draadloze datacommunicatie.
Terahertzstraling is in die zin uniek dat zij interessante eigenschappen van deze beide deelt: net als microgolfstraling dringt zij vrijwel ongehinderd door alle verpakkingsmaterialen (behalve metalen) heen, en net als infraroodstraling heeft zij een zeer specifieke gevoeligheid voor gasvormige moleculen - elk type molecuul heeft zijn eigen specifieke terahertzkleur met een intensiteit die een directe indicatie is van de concentratie van dat specifieke molecuul. In lekentaal: als we terahertz-licht op een voedselverpakking schijnen en een terahertz-bril opzetten, krijgen we een beeld van de chemische samenstelling van de atmosfeer van een voedselverpakking. Dit is wat wetenschappers "terahertz-spectroscopie" noemen. Binnen het Terafood-project heeft een samenwerking van Franse en Belgische academici en industriële partners voor de allereerste keer met succes een efficiënte terahertz-spectroscopische sensortechnologie gedemonstreerd waarmee de kwaliteit van verpakte levensmiddelen inderdaad kan worden bekeken doorheen het verpakkingsmateriaal.
Tijdens het afbraakproces van voedsel worden minieme hoeveelheden gasmoleculen gegenereerd in de headspace van verpakte levensmiddelen. Hoewel het precieze concentratieprofiel van deze vluchtige stoffen van vele factoren afhangt (soort voedingsmiddel, verpakkingsomstandigheden, ...), zijn de meest pertinente indicatoren van voedselbederf meestal aminen, alcoholen en sulfiden in concentraties van ongeveer 1 deel per miljoen. Voedselchemici van de Universiteit Gent hebben nauwkeurige massaspectroscopie gebruikt op geëxtraheerde stalen van voedselverpakkingen (in dit geval Atlantische zalm) om tot deze conclusies te komen.
De eerste vraag die in het project beantwoord moest worden was dan ook of deze vluchtige stoffen in zulke lage concentraties "gezien" konden worden met terahertz-licht, vooraleer zelfs maar te gaan nadenken over hoe hun terahertz-kleur "zichtbaar" gemaakt kan worden doorheen een verpakking. Door naar sulfiden te kijken konden wetenschappers van de universiteit van Duinkerke met terahertz-licht precies dezelfde voorspellingen reproduceren als met chemische massaspectrometrie.
Er zat echter een addertje onder het gras: het terahertz-kleurcontrast was zo zwak dat de meting pas succesvol kan uitgevoerd worden door de verpakking te bemonsteren en het staal te analyseren met een zeer sterke terahertz-lichtbron en een speciaal type zeer gevoelige terahertz-detector. Dit is dus duidelijk geen niet-destructieve stand-off en real-time sensortechnologie.
Dit is waar de echte innovatie van het Terafood-project om de hoek komt kijken. In plaats van doorheen de verpakking te trachten te kijken naar moeilijk waarneembare lichtcontrasten, vroegen onderzoekers van de Photonics Research group van de Universiteit Gent en van de THz Photonics Group van het CNRS IEMN lab in Villeneuve d'Ascq zich af of dit zwakke contrast niet gedetecteerd kon worden met een meer gevoelige techniek. Waarom bijvoorbeeld niet liever "er naar luisteren" met een zeer gevoelige microfoon? Luisteren naar licht? Nu klinkt dit misschien als een gek idee, maar in feite was het gebruik van licht om geluid te genereren iets wat de grote Graham Bell al aan het eind van de 19e eeuw had ontdekt. Wanneer licht in wisselwerking treedt met een stof die het absorbeert, begint deze miniem te verwarmen en deze warmte opnieuw af te geven. Hierdoor ontstaat een trillingsdrukgolf die door een gevoelige microfoon kan worden opgepikt. Deze techniek staat bekend als foto-akoestiek. Tegenwoordig is foto-akoestische detectie met infrarood licht een veel gebruikte en zeer gevoelige spectroscopietechniek. Fotoakoestiek met terahertz-licht staat echter nog in de kinderschoenen. De originaliteit van het terafood-project was niet alleen aan te tonen dat dit haalbaar is, maar vooral dat terahertz foto-akoestische detectie met voldoende gevoeligheid in een voedselverpakking kan worden uitgevoerd.
Samen met de ingenieurs van de Franse startup Vmicro (gespecialiseerd in micro- en nanofabricatie van chipscale systems) werd een speciaal type silicium microchip ontworpen. Dit microsysteem doet dienst als de zeer gevoelige microfoon die in staat is het geluid van de bederfindicator-moleculen op te vangen! Het bestaat uit een 750 nm dun opgespannen siliciummembraan (ongeveer een honderdste van een menselijke haar) met een diameter van ongeveer een vierde van een millimeter. Dit membraan is zo ontworpen dat het sterk reageert op de inwerking van een kleine drukgolf als die het op de juiste frequentie raakt. De volledige microfoonstructuur op de chip speelt een drievoudige rol: 1) hij vangt het terahertzlicht op dat erop wordt geschenen, 2) vervolgens concentreert hij dit licht sterk in een klein gebied dicht bij het membraan, en 3) die uiteindelijk het geluid opvangt dat door dit zeer intens geconcentreerde licht wordt opgewekt. Vmicro is gespecialiseerd in de productie op waferschaal van dergelijke silicium micromechanische structuren. Meerdere exemplaren van dezelfde sensor kunnen hierdoor in éénzelfde stap op hetzelfde substraat worden vervaardigd. Hierdoor kunnen enkele tientallen sensoren in één run worden gefabriceerd, waardoor de uiteindelijke kosten per sensor gevoelig dalen.
In april 2021 werd in de laboratoria van de THz Photonics groep een eerste volledig geïntegreerde Si terahertz-microfoon in een gasproefcel geplaatst. Hoewel dit niet echt een voedselpakket is, kan de druk en de samenstelling van deze testcel zodanig gecontroleerd worden dat een echte voedselverpakking nagebootst wordt. Tijdens het experiment wordt de cel geprepareerd om een gekalibreerde hoeveelheid H2S te bevatten onder een gekozen druk en concentratie en vervolgens hermetisch afgesloten. Terahertz-licht wordt in korte pulsen geïnjecteerd aan een frequentie van ongeveer 35 000 pulsen per seconde (zeer dicht bij de resonantiefrequentie van het membraan). Indien op deze wijze de juiste kleur THz-licht (de unieke terahertzkleur van waterstofsulfide) wordt geïnjecteerd, zullen de H2S-moleculen in de nabijheid van de terahertz-microfoon de energie van het terahertz-licht met dezelfde kadans oppikken (en vervolgens weer afgeven). De opgewekte drukgolf raakt het membraan met precies de juiste frequentie om het te exciteren. De sterkte van deze trilling is recht evenredig met de hoeveelheid geabsorbeerde energie of dus met de concentratie van moleculen. Het laatste element in deze sensor zijn de "oren" die het door de microfoon opgevangen "geluid" registreren. Een Doppler-vibrometer kan dit geluid "aflezen" door met zichtbaar laserlicht de verplaatsing van het membraan doorheen de verpakking te meten.
Een foto van de details van de gas test cell waarin de terafood sensors getest worden. De laser doppler vibrometer detecteert het “geluid” van the Poly-Si microphone (top right) met de rode laser spot door het venster van de gas cel. De photoacoustische spectra rechtsonder zijn wereldwijd de eerste stand-off real time photoacoustic detecties van H2S tot 100ppm.
De figuur illustreert enkele van de bovenstaande concepten en laat vooral de allereerste wereldwijde experimenten zien van de detectie van gasconcentraties op ppm-niveau door het pakket heen. Dit resultaat is om vele redenen opvallend: een eerste prototype bereikt gevoeligheden die al dicht bij de vereisten voor de voedselketen liggen; de meting is volledig stand-off en real-time (een spectrum wordt gemeten in 6 ms) en bovenal, 4 jaar geleden was THz geïntegreerde fotoakoestiek zo goed als niet bestaand!
Als je graag meer wil horen over de recente ontwikkelingen van terahertz-technologie voor voedsel en agro of als je geïnteresseerd bent in de verdere ontwikkelingen van terahertz fotoakoestische spectroscopie, ben je van harte welkom op het slotevenement van het terafood-project op 8 december 2021 in het CNRS IEMN-laboratorium op de Technologiecampus van de Universiteit van Lille (Av. Henri Poincaré, Villeneuve d'Ascq). Een dagvullend programma zal worden gewijd aan de huidige stand van zaken op het gebied van intelligente voedselsensoren en de huidige ontwikkelingen op het gebied van voedselverpakking en vermijden van voedselverspilling. Oplossingen waarbij gebruik wordt gemaakt van Terahertz-sensortechnologie zullen worden gepresenteerd. Het evenement zal worden afgesloten met een demonstratie van de sensor die in het kader van het INTERREG-project Terafood is ontwikkeld. Naast de resultaten die in het project zijn verkregen, zullen twee toonaangevende Franse bedrijven op het gebied van THz-inspectiesystemen hun recente ontwikkelingen presenteren.
Auteur:
dr. ir. Mathias Vanwolleghem, CNRS Research Scientist, Institute of Electronics Microelectronics and Nanotechnology, Universiteit Rijsel I
