We hebben het allemaal wel al eens meegemaakt: er ligt een ongeopend pakje verse vis in je koelkast waarvan de houdbaarheidsdatum net overschreden is. Toch vraag je je af of je het nog mag opeten aangezien dergelijke houdbaarheidsdata vaak rekening houden met een veiligheidsmarge. Wat doe je?
Je opent het pakje en ruikt eraan. Dit is een goeie oplossing voor thuis, maar niet voor winkels of verdeelcentra aangezien het openen van individuele verpakkingen een einde brengt aan de beschermende verpakkingsatmosfeer. Toch betekent het gebrek aan een non-destructieve individuele testmethode dat er enorme hoeveelheden voedsel verspild worden.
Het Terafood project onderzoekt de ontwikkeling van een sensor die ontluikend voedselbederf binnenin individuele verpakkingen kan detecteren, terwijl de verpakking gesloten en onbeschadigd blijft. De sensor is gebaseerd op de zogenaamde foto-akoestische techniek, waarbij een sensor geluid detecteert dat door moleculen gecreëerd wordt (volatiele organische stoffen, VOS’s), meer bepaald moleculen die als indicator voor voedselbederf gebruikt kunnen worden (zie eerder radar artikel).
Om dit te kunnen doen hebben we kleine, zeer goedkope en energie-efficiënte sensoren nodig die in de voedselverpakkingen geïntegreerd kunnen worden, zoals bv. een microchip. In de laatste decennia zijn de technologische ontwikkelingen in elektronica ongeëvenaard, denk bv. aan een smartphone die uitgerust is met een groot aantal elektronische sensoren. Terafood onderzoekt het gebruik van silicium fotonische chips. Vergeleken met elektronische chips gebruiken deze dezelfde fabricatietechnologieën, maar manipuleren ze licht in de plaats van elektriciteit. Oorspronkelijk werden silicium fotonische chips voornamelijk in telecom- en datacentra gebruikt om via optische vezels te communiceren. Toch nemen ook sensorische toepassingen in de fotonica snel toe, zoals bv. bloedsuikerspiegel in-situ meten, seksueel overdraagbare infecties detecteren, verschillende chemische bestanddelen opsporen, temperatuur, spanning, nabijheid, … meten.
Zowel elektronica als fotonica werken met elektromagnetische golven, met dat verschil dat ze erg verschillende frequenties gebruiken wat gevolgen heeft voor hoe ze gecreëerd en gedetecteerd worden. Elektronica gebruiken radiosignalen, wat betekent dat ze werken met antennes en traag bewegende elektrische velden. Fotonica daarentegen gebruiken lasers en fotodetectoren (camera’s).
Tussen de elektronica en fotonica liggen terahertz frequenties (0.1-10 THz), wat ofwel waargenomen wordt als licht met een erg lage energie of als radiogolven met een erg hoge frequentie. Het is niet voor de hand liggend om die golven te genereren en te detecteren, meestal worden gekoelde bronnen (en detectoren) gebruikt.
Terafood ontwikkelt een on-chip sensor die binnenin voedselverpakkingen geplaatst wordt zodat we de versheid van het voedsel kunnen bepalen zonder de verpakking te openen.
Waarom dan de interesse voor deze omslachtige terahertz frequenties? Eerst en vooral omdat een groot deel van de VOS’s veel karakteristieke absorptielijnen hebben in dit terahertz bereik (de moleculaire vingerafdruk). Ten tweede is het verpakkingsmateriaal dat doorgaans voor voeding gebruikt wordt transparant voor terahertz golven, wat betekent dat een extern uitleessysteem gebruikt kan worden zonder de verpakking te openen (compatibel met een passieve sensor binnenin). Dit is ook zo voor bv. HDPE dat er voor ons donkerzwart uitziet, maar transparant is voor terahertz golven.
Bovendien kunnen we de sensor gevoelig genoeg maken om te werken met weinig energie, waardoor die compatibel is met goedkope, maar zwakke, elektronische bronnen. Zo kunnen we de nood aan cryo-gekoelde detectoren omzeilen door het signaal naar een andere energievorm te sturen, i.e. geluid.
Dit is de foto-akoestische techniek. Het is een soort van optische spectroscopie aangezien het molecules detecteert op basis van de golflengte van het licht dat het absorbeert. Immers, we maken het mogelijk dat het gas het geabsorbeerde licht omzet in geluid en vervolgens detecteren we dit geluid.
Laten we wat dieper ingaan op de fysische mechanismen achter de foto-akoestische sensor. Wanneer gassen een terahertz golf absorberen, resulteert die energie in een temperatuurstijging en, aangezien we werken met gassen, een stijging in druk. Als we nu onze terahertz bron aan- en uitzetten op een specifieke frequentie zullen we drukgolven genereren met dezelfde frequentie. We hebben dan enkel een microfoon nodig die dit signaal detecteert om het succesvol om te zetten, om de terahertz absorptie te detecteren en om te onderzoeken welke gassen aanwezig zijn in de voedselverpakking.
De terafood sensor moet het mogelijk maken om voedselbederf te testen zonder de verpakking te openen en dus te vernielen. Het beoogt een erg kleine sensor die in situ kan werken en geen speciale, arbeidsintensieve voorbereiding nodig zal hebben. Het gebruik van microchips garandeert een erg lage kostprijs en het gebruik goedkope en energie-efficiënte meettoestellen.
Auteur van dit artikel: Mattias Verstuyft, UGent - mattias.verstuyft@gmail.com
