Terahertz-spectroscopie
Terahertz-spectroscopie is een technologie waarbij gebruik gemaakt wordt van elektromagnetische straling in het golflengte gebied met frequenties tussen 100 GHz en 30 THz. Dit gebied ligt tussen het infrarood gedeelte en het microgolf gedeelte van het spectrum, zoals aangeduid in figuur 1.
Fig. 1. Overzicht van het elektromagnetisch spectrum. De Terahertz-applicaties liggen in het gebied tussen het microgolf en het infrarood gebied.
Een belangrijke reden waarom deze technologie minder bekend is dan bijvoorbeeld infrarood spectroscopie ligt in het feit dat het tot midden de jaren 90 geduurd heeft vooraleer er bronnen (lasersystemen) en detectoren beschikbaar waren in dit gebied. Vanaf dat ogenblik kwam er efficiënte instrumentatie op de markt om het potentieel van deze technologie te bestuderen in verschillende onderzoeksdomeinen.
Technologie
Een belangrijk kenmerk van Terahertz-spectroscopie is dat de uitgestuurde straling specifiek gaat interageren met polaire moleculen. De interactie met apolaire componenten, zoals plastiek of keramische materialen, is veel minder sterk waardoor deze technologie ook ingeschakeld kan worden voor metingen doorheen verpakkingsmaterialen en textiel. Met Terahertz-spectroscopie is het mogelijk om verschillende biomoleculen te detecteren aangezien deze een verschillend absorptiespectrum (vingerafdruk) hebben in het Terahertz-gebied.
Systemen, op basis van Terahertz-spectroscopie kunnen ingedeeld worden in verschillende klassen op basis van de uitgezonden straling (gepulste vs. continue lasersystemen) of op basis van het werkingsprincipe (transmissie vs. reflectie). Terahertz-spectroscopie laat de simultane detectie toe van (staal)dikte, refractie-index en absorptiecoëfficiënt, in tegenstelling tot bijvoorbeeld NIR-spectroscopie waar dit niet mogelijk is.
Commerciële systemen met toepassingen in de voedingsindustrie zijn nog niet voorhanden, maar er zijn wel al heel wat systemen op de markt met applicaties in bijvoorbeeld de farmaceutische sector. Een bedrijf met dergelijke applicaties is Teraview en enkele van de systemen die Teraview verdeelt, worden in figuur 2 weergegeven.
Fig. 2. Enkele commercieel beschikbare Terahertz-systemen, geproduceerd door Teraview. Deze systemen worden nu al ingeschakeld voor ondermeer kwaliteitsanalyses in de farmaceutische industrie, beeldverwerking in de biomedische industrie en controles op halfgeleiderproducten.
Dergelijke systemen worden in de farmaceutische sector aangewend voor ondermeer de karakterisatie van coatings op geneesmiddelen, de controle op de dosering van de actieve componenten, alsook de controle op de kristallisatiegraad van deze componenten.
Applicaties voor de voedingsindustrie
Er is reeds heel wat onderzoek uitgevoerd om na te gaan wat het potentieel is van Terahertz-spectroscopie op het gebied van kwaliteitsanalyses op voeding. Een recent overzicht van deze applicaties kan teruggevonden worden bij Gowen et al (2012). Aangezien er een sterkte absorptie van straling in het Terahertz-gebied optreedt door water, werd deze applicatie in eerste instantie succesvol uitgetest op vermalen graan (12-18% vochtigheid) en op wafeltjes (1-30% vochtigheid). Deze technologie biedt dus heel wat mogelijkheden met betrekking tot de kwantificatie van het vochtgehalte in producten met een lage vochtigheid.
Een andere belangrijke applicatie vormt de detectie van pesticiden op poeders afkomstig van rijst en aardappel, enerzijds, en antibiotica op poeders afkomstig van melk en ei, anderzijds. De resultaten uit deze inleidende experimenten toonden aan dat er heel wat potentieel zit voor de kwantificatie van deze componenten maar dat er toch nog werk moet verricht worden om correcties uit te voeren voor de fysieke eigenschappen van de producten (pesticidendetectie) en voor een verbetering van de detectielimiet (antibioticadetectie).
Een andere interessante applicatie vormt de detectie van vreemde voorwerpen en meer specifiek de detectie van niet-metaal deeltjes zoals glas en plastiek aangezien dergelijke componenten moeilijk gedetecteerd kunnen worden door systemen die gebaseerd zijn op X-stralen detectie. Een mooi voorbeeld, in dit kader, was de detectie van glas, steen en metalen deeltjes in een reep chocolade, al dan niet verpakt in een een plastiek folie. Omwille van het hoge vet- en het lage watergehalte is chocolade relatief transparant voor THz-straling en gaat het verstrooiingspatroon veranderen in aanwezigheid van deze vreemde voorwerpen.
Ook op vloeibare producten zijn een aantal studies uitgevoerd met behulp van Terahertz-spectroscopie. Op olieproducten werd voornamelijk (én met succes) gewerkt op de detectie van (kleine concentraties) aan waterverontreiniging. Op drankproducten (bier en wijn) werd THz-spectroscopie gebruikt voor de kwantificatie van het alcohol- en het suikergehalte.
Deze mooie wetenschappelijke resultaten op laboschaal, tesamen met de substantiële financiering van Intrasight door de ESA en het COTS (COherent Terahertz Systems) project aan de universiteiten van London, Cambridge en Leeds, wijzen erop dat Terahertz-spectroscopie in de nabije toekomst kan ingezet worden voor een aantal belangrijke kwaliteitsanalyses in de voedingsindustrie.
Conclusies
De belangrijkste uitdaging voor Terahertz-spectroscopie ligt in de verdere optimalisatie van de technologie met betrekking tot de functionaliteit ervan in productieomstandigheden. Voorts moet er ook nog onderzoek gevoerd worden naar uitbreiding van de spectrale databank in het Terahertz-domein. Deze uitdagingen vormen tesamen met een continu streven naar goedkopere bron- en detectorsystemen de laatste struikelblokken voor een succesvolle implementatie in de voedingsindustrie. Toch is dit een technologie met heel wat potentieel en specifieke eigenschappen die niet teruggevonden worden bij andere (on-line) systemen, gebaseerd op bijvoorbeeld. X-stralen detectie of NIR-spectroscopie.
Nuttige links
- Sensors For Food Dienstverlening: bent u op zoek naar informatie over sensoren die toegepast worden in de voedingssector of heeft u een specifiek probleem dat aangepakt kan worden met sensoren? Laat het dan weten via het Sensors For Food aanspreekpunt of contacteer Steven Vermeir, steven.vermeir@biw.kuleuven.be
Bronnen
- Teraview: http://www.teraview.com/
- Gowen A.A., Sullivan C.O., O’Donnel, C.P. (2012) Terahertz time domain spectroscopy and imaging: Emerging techniques for food process monitoring and quality control. Trends in Food Science & Technology, 25, 40–46.
- FOOD manufacture.co.uk: nieuwsbericht over Intrasight
- EPSRC project EP/J017671/1: COherent Terahertz Systems (COTS)-opening up the terahertz spectrum for widespread application (University College London)