Breitband Infrarot-LED für Spektroskopie-Anwendungen

Der OSRAM Podcast: Episode #10 mit Dr. Carola Diez über Nachtsichtgeräte für Tomaten


Herzlich willkommen im Photonstudio, dem OSRAM Podcast. Ich heiße Dieter Schierer und ich bin OSRAM Mitarbeiter im Bereich Digitale Kommunikation. Ich freue mich sehr, die neue Folge zum Thema Infrarotspektroskopie moderieren zu dürfen. Stellen Sie sich vor, Sie gehen in einen Supermarkt, kaufen Ihre Lebensmittel und da ist dieser Apfel, bei dem Sie nicht sicher sind wie frisch er ist und wie viele Nitrate und Vitamine er hat. Sie greifen also zu Ihrem Smartphone, legen das Gerät kurz an das Obststück und ein paar Augenblicke später bekommen Sie die gesuchten Informationen über eine App. Oder Sie sind irgendwo auf einer Weltreise und haben Kopfweh. Sie bekommen eine Schmerztablette, haben aber Zweifel, ob es sich vielleicht doch nur um ein Stück Kreide handelt, statt um die gewünschte Ibuprofen Pille. Nach einem Scanvorgang ist die Gewissheit gleich da, der Wirkstoff ist tatsächlich Ibuprofen. Was sich nach Science-Fiction anhört, ist in Wirklichkeit die Beschreibung des Verfahrens der Spektroskopie.

Das Verfahren ist gar nicht so neu und wird in unzähligen Laboren tagtäglich angewandt. Was dagegen neu sein dürfte, ist die Tatsache, dass Ihr Smartphone dieses Labor sein könnte. Aber wie funktioniert das und was hat das mit Licht und OSRAM zu tun? Um diese Frage zu beantworten, habe ich heute meine Kollegin Dr. Carola Diez aus Regensburg in das Photonstudio eingeladen. Carola Diez ist bei der Geschäftseinheit Opto Semiconductors als Produktmanager für Infrarot-Emitter und Nahinfrarot LEDs zuständig. Ich freue mich sehr, dieses spannende und futuristische Thema mit ihr besprechen zu können.

Dieter:Carola, danke dass du dir heute für uns Zeit genommen hast und willkommen im Photonstudio!

Carola: Hallo Dieter, vielen Dank für die Einladung in das Photonstudio!

Dieter: Du bist bei uns in der Geschäftseinheit Opto Semiconductors in Regensburg. Was ist dein genauer Job dort?

Carola: Ich bin Produktmanager in der Produktlinie Sensing. In dieser Funktion bin ich verantwortlich für ein sehr breites Portfolio von infraroten LEDs, die in die unterschiedlichsten Applikationen eingesetzt werden können. Ein Beispiel dafür sind LEDs, die in Überwachungskameras zur Beleuchtung eingesetzt werden, um beispielsweise Nachtsicht zu ermöglichen. Somit können wir helfen unsere Umgebung sicherer zu machen. Allerdings bin ich auch noch für ein zweites, recht spannendes Portfolio zuständig. Dieses beinhaltet die sogenannten Nahinfrarot Breitband LEDs. Das ist ein etwas sperriges Wort, deswegen sagen wir hier immer NIR-LED dazu. Diese LED hat das Potenzial, ganz neue Anwendungsfelder und Use Cases zu ermöglichen.

Dieter: Bevor wir jetzt zum Hauptthema kommen, möchte ich erstmal eine wesentliche Frage klären. Was unterscheidet jetzt eine Nahinfrarot-Breitband-LED von einer normalen LED?

Carola: Die Nahinfrarot-Breitband-LED emittiert Licht über einen weiteren Spektralbereich. Hier emittiert die LED von 650 bis 1050 Nanometer. Das heißt, wir haben eine Spektralbreite von 400 Nanometern. Eine klassische Infrarot LED, welche typischerweise bei 850 bis 940 Nanometer emittiert, hat nur eine Bandbreite von 40 Nanometern. Das heißt, unsere NIR-LED emittiert zehnmal so breit, wie eine klassische IR-LED.

Dieter: Ich möchte kurz ein Zitat aus einer Pressemitteilung aus dem Jahr 2018 vorlesen: "Im Supermarkt messen, wie frisch das Gemüse ist und wie süß die Erdbeeren sind, in der Kantine die Kalorien des Mittagessens ermitteln oder prüfen, ob die vermeintliche Kopfschmerztablette wirklich eine ist – das können Verbraucher künftig mit dem Smartphone ganz einfach selbst testen. Möglich wird dies mit der Entwicklung breitbandiger Infrarot-LEDs (IRED), die in einem breiten Wellenlängenbereich emittieren". Das klingt für mich jetzt alles etwas nach Science-Fiction. Aber ich habe das Gefühl, dass wir jetzt nicht mehr so weit davon entfernt sind, dass diese Gadgets bald auch bei uns im Smartphone zum Einsatz kommen. Kannst du uns erklären, wie das Ganze funktionieren soll?

Carola: Stellen wir uns mal vor, auf dem Tisch vor uns liegt eine rote Tomate. Wenn diese vom Tageslicht angeleuchtet wird, absorbiert sie alle Farben, außer rot. Die rote Farbe wird daher reflektiert und wir nehmen die Tomate als rot wahr. Das heißt, die Eigenschaft der Tomate ist es, rotes Licht zu reflektieren, wenn man sie mit sichtbarem Licht beleuchtet wird. Wenn wir die Tomate mit unsichtbarem Licht beleuchten, also infrarotem Licht, absorbiert die Tomate ebenfalls Teile vom Licht und reflektiert Teile der Strahlung. Abhängig davon, wie die Tomate aufgebaut ist, erhalten wir einen einzigartigen molekularer Fingerabdruck der Tomate. Eine Tomate besteht aus sehr viel Wasser und Wasser absorbiert Licht in einer Strahlung von 970 Nanometern. Diese Strahlung können wir mit unserem Auge zwar nicht sehen, aber wir können Hilfsmittel dafür verwenden. In diesem Beispiel wäre das ein sogenannter Spektrometer. Dieser nimmt die gemessene Strahlung auf und schaut sich Wellenlängen selektiv an. Nachgelagert hat man dann noch eine Software, welche die Informationen vom Sensor verarbeitet und das aufgenommene Spektrum mit einer Datenbank vergleicht. In der Datenbank sind Spektren von den unterschiedlichsten Tomaten hinterlegt. Diese werden dann verglichen, so dass man eine Aussage erhält, wie hoch zum Beispiel der Wassergehalt der Tomate ist. Und der Wassergehalt ist ein Indiz dafür, wie frisch die Tomate ist. Je höher der Wassergehalt ist, desto frischer ist die Tomate.

Dieter: Verstehe ich das richtig, dass wir für dieses Verfahren keine Stoffprobe benötigen? Also ich muss jetzt nicht irgendein Stück aus der Tomate herausschneiden und von einem Gerät analysieren lassen, sondern ich lege das Gerät einfach auf die Oberfläche auf oder wie funktioniert das?

Carola: Genau, das Ganze funktioniert rein optisch. Man legt das Gerät an die Tomate einfach an oder misst aus einem kleinen Abstand. Man schick das Licht hin, das Licht interagiert mit dem Objekt und das reflektierte wird anschließend aufgenommen. Das heißt, es wird nichts zerstört und man kann das wirklich nicht-destruktiv messen.

Dieter: Aber wenn wir das Smartphone oder Gadget an die Tomate anlegen wird aus meiner Sicht nur die Oberfläche gescannt. Müssen wir da nicht auch etwas in die Tiefe schauen oder passiert das automatisch dann?

Carola: Das passiert tatsächlich automatisch. Die NIR Strahlung dringt ein bisschen in die Oberfläche ein und wechselwirkt dort. Das sind dann einige Millimeter oder gar Zentimeter.

Dieter: Es gibt ja sehr viele Spektroskopie Verfahren, also Mikrowellenspektroskopie, Röntgenspektroskopie und Laserspektroskopie. Warum wird hier ausgerechnet auf die Nahinfrarotspektroskopie gesetzt und nicht zum Beispiel Laserspektroskopie?

Carola: Die von dir genannten Spektroskopie Verfahren, das sind eigentlich alles Verfahren, welche hauptsächlich in Speziallaboren Anwendung finden. Die Messgeräte kosten meist einige 10.000 Euro und benötigen teils eine Spezialausbildung, um damit überhaupt arbeiten zu können. Das schöne bei der Nahinfrarotspektroskopie ist, dass die Technologie mittlerweile so weit ist, dass es Spektrometer gibt, die immer kleiner und kostengünstiger werden. In den letzten Jahren haben wir gesehen, dass bekannte Sensor Hersteller, aber auch kleinere Startup-Unternehmen Miniatur-Spektrometer entwickelt haben, welche preislich auch in der breiten Masse Anwendung finden können. Aber der Sensor allein genügt nicht, wie vorher schon besprochen ist hier auch die Lichtquelle entscheidend. Hier ist es sehr wichtig, dass man hier eine sehr gute und wohl definierte Lichtquelle hat. Bei den Laborgeräten, die es schon seit Jahrzehnten gibt, wird eine Halogen Lichtquelle verwendet. Die ist aber ziemlich groß und unhandlich. Wenn das Ganze jetzt alles kleiner werden soll, braucht man auch eine kleinere Lichtquelle zu seinem Spektrometer. Und diese Lücke hat OSRAM geschlossen, indem wir eine erste Breitband LED entwickelt haben. Somit steht dem Markt jetzt eine Technologie zur Verfügung, um neue Use Cases zu erarbeiten. Außerdem ist die Strahlung bei der Nahinfrarotspektroskopie absolut ungefährlich. Damit kann wirklich jeder umgehen, was bei Röntgenstrahlen wahrscheinlich nicht der Fall ist.

Dieter: Vor einiger Zeit war dein Kollege Christoph Göltner bei mir zu Gast im Photonstudio. Wir haben uns über Emitter, grüne LEDs und Fotodioden in Smartwatches und Fitness Trackern unterhalten. Es ging unter anderem auch darum, dass in den neuen Generationen der Fitness Uhren nicht nur ein Modul, sondern gleich mehrere Module eingebaut sind. Und er hat es mir so erklärt, dass hier das Signal-Rausch-Verhältnis ganz wichtig ist. Sprich wenn ich mehrere Module habe, die gleichzeitig messen, dann wird das beste Signal ausgewählt und mit der Datenbank abgeglichen. Wie wichtig ist dieses Thema für die Nahinfrarotspektroskopie? Gibt's da auch diese Probleme oder ist es für diesen Bereich unbedenklich?

Carola: Prinzipiell kann man sagen, überall wo Strahlung ausgesendet wird und wieder gemessen wird, benötigt man ein sehr gutes Signal zu Rausch Verhältnis, um sicherzugehen, dass das gemessene richtig ist und keine Störeinflüsse das Ergebnis beeinflussen. Von daher gilt es natürlich auch für die NIR Spektroskopie. Beim Beispiel der Tomate ist es natürlich sehr wichtig, dass man beim Signal auch sicher gehen kann, dass es von der Tomate kommt und man nicht beispielsweise Umgebungslicht misst, weil man den Sensor falsch aufgelegt hat. Deswegen ist es sehr wichtig, dass wir eine Lichtquelle haben, die eine sehr hohe Strahlstärke hat, um das Umgebungslicht später wieder wegfiltern zu können, aber auch dass man einen Sensor hat, der eine hohe Empfindlichkeit und eine gute spektrale Auflösung hat.

Dieter: Wenn das Scanverfahren abgeschlossen ist, dann wird das Ergebnis mit deiner Datenbank abgeglichen. Wer stellt diese Datenbank eigentlich her? Woher kommen diese Informationen?

Carola: Das ist tatsächlich eine sehr gute Frage. Wir sind natürlich der Komponentenhersteller. Wir fokussieren uns darauf, die beste LED am Markt zu haben, um das Thema voranzutreiben. Bezüglich der Software und der Datenbank haben wir ein großes Partnernetzwerk, auf das wir zurückgreifen und mit denen wir alle gemeinsam versuchen, diese Applikationen und Anwendung voranzutreiben. Wir machen es also nicht selber, aber wir haben Partnerfirmen, die da mitarbeiten und uns unterstützen.

Dieter: Wir haben vor circa zwei Wochen unseren neuesten Breitband Emitter für Nahinfrarotspektroskopie enthüllt, diesen OSLON® P1616. Das ist die kleinste LED am Markt, die für Nahinfrarotspektroskopie geeignet ist. Was ist an dieser OSLON® LED noch besonders?

Carola: Die ist tatsächlich super klein, also 1,6 x 1,6 Millimeter und deswegen auch für sehr viele Applikationen nutzbar. Aber das eigentlich viel wichtigere Feature ist die sehr hohe Strahlungsleistung. Mit dieser Neuentwicklung haben wir es geschafft, die Strahlungsleistung deutlich zu steigern. Im Vergleich zu unseren Vorgängerprodukten wurde die Strahlungsleistung um das Dreifache erhöht. Außerdem haben wir es geschafft das emittierte Spektrum so zu designen, dass die Performance über den ganzen Spektralbereich gut und konstant ist.

Dieter: Das erinnert mich ein bisschen an das Green-Gap-Phänomen bei den grünen LEDs, also einen Leistungsabfall ab einer bestimmten Wellenlänge im grünen Spektrum. Bei 650 Nanometern sind wir dann aber schon viel weiter, oder?

Carola: Genau, das ist viel weiter. Bei den grünen LEDs kommt das Licht direkt aus dem Halbleitermaterial raus und wird direkt emittiert. Bei uns in der Nahinfrarotspektroskopie, wo man einen breiten Wellenlängenbereich möchte, nehmen wir eine klassische blaue LED. Und auf diese blaue LED kommt ein Phosphor Material obendrauf. Dieses Phosphor Material absorbiert blaues Licht und konvertiert es dann in einen anderen Spektralbereich. Das heißt wir starten ursprünglich mit einem blauen Licht bei 450 Nanometern und konvertieren das dann in den nahinfraroten Spektralbereich von 650 bis 1050 Nanometern. Wir haben hier einen super breiten Spektralbereich und das Besondere ist, dass wir sogar bei hohen Wellenlängen, oberhalb von 950 Nanometern, noch sehr viel Licht bekommen. Wir haben hier ein sehr gutes Converter Material gefunden, das sehr effizient umwandelt und oberhalb von 950 Nanometern noch viel Licht emittiert.

Dieter: Aus deinen Erzählungen kann ich entnehmen, dass da echt viel Forschung betrieben wurde. Gerade bei der Phosphor Schicht muss die Qualität zu 100 % stimmen. Selbst bei kleinsten Abweichungen könnte sonst die Performance in der LED nicht erreicht werden, oder?

Carola: Die ganze Phosphor Entwicklung findet bei uns intern statt und wir haben da ein sehr kompetentes Team, das wirklich am Puls der Zeit ist. Wir waren mit dieser Nahinfrarot-LED vor drei Jahren die ersten am Markt und haben dafür auch schon einen Innovationspreis gewonnen.

Dieter: Ich kann mir vorstellen, dass sehr viele Interessierte da wären, die gerne wissen würden, ob ihre Lebensmittel noch frisch sind. Das gehört ja zum Consumer Bereich. Welche Beispiele sind den sonst noch denkbar?

Carola: Die Nahinfrarotspektroskopie ist eine sehr mächtige Technologie und kann in sehr vielen Bereichen eingesetzt werden, auch in der Industrie. Zum Beispiel kann sie in der Landwirtschaft Bauern helfen, den idealen Erntezeitpunkt festzustellen. Oder sie kann auch in der Lebensmittelindustrie helfen, die Qualitätskontrollen zu unterstützen. Eigentlich kann sie überall dort eingesetzt werden, wo man etwas genauer über die Materialien und ihre Zusammensetzung wissen will.

Dieter: Ermitteln die Bauern nicht auch jetzt schon den perfekten Zeitpunkt für die Ernte mit Bodenproben oder Getreideproben? Und welchen Benefit haben die Bauern, wenn sie in der Zukunft OSRAM Technologie einsetzen?

Carola: Die professionellen Landwirte analysieren natürlich ihre Böden oder ihr Getreide. Aber im Moment nehmen sie vielleicht alle paar Wochen eine Probe und schicken diese in ein externes Labor. Dort wird die Probe dann ausgewertet. Das dauert einige Tage und kostet auch einiges an Geld. Eine Woche später haben sie dann das Ergebnis und wissen nur die Qualität von dieser einen Stelle. Wenn ein Landwirt jetzt so ein Gadget hätte, dass er immer dabeihat, könnte er wirklich zu jeder Zeit und an jedem Ort eine Messung durchführen und würde direkt das Ergebnis erhalten.

Dieter: Und wie schaut es aus mit Medikamenten? Kann man die auch mit Nahinfrarotspektroskopie überprüfen?

Carola: Das kann man auch machen. Natürlich muss man schon auch Abstriche machen. Von der Auflösung ist es nicht so gut wie ein teures Laborgerät, dass einige 10.000 Euro kostet. Das ist schon klar, aber man kann erste Erkenntnisse trotzdem daraus ziehen.

Dieter: Ich kann mir vorstellen, dass man bei der Apotheke einfach wissen will, ob es eine Tablette ist, die gegen Kopfschmerzen hilft oder nur ein Stück Kreide.

Carola: Meiner Apotheke vor Ort würde ich schon vertrauen. Aber wenn ich an Online-Shopping denke und mir eine teure Lederhandtasche kaufe, möchte ich natürlich auch wissen, ob das wirklich diese Marke ist, die ich bestellt habe oder ob es ein günstiges Fake-Produkt ist. Und wenn es dann am Smartphone eine entsprechende App gibt, um das dann zu überprüfen, ist das natürlich wunderbar.

Dieter: Super interessantes Thema! Wohin geht die Entwicklung in diesem Bereich und was sind noch die aktuellen Herausforderungen bei euch?

Carola: Auf der Hardware Seite ist das Ziel der Entwicklung die Lichtquelle zu verbessern und die Strahlungsstärke zu erhöhen. Auch auf der Detektor Seite muss natürlich die Sensitivität besser werden, um die Applikationen und Use Cases zu ermöglichen. Aber auch auf der Software Seite muss natürlich einiges gemacht werden. Für jede Materialanalyse ist außerdem eine entsprechende Datenbank notwendig. Hier müssen Hardware- und Softwarefirmen miteinander zusammenarbeiten, um das Thema voranzubringen.

Dieter: Vielen Dank für deine Zeit und für diese Insights. Dir und deinen Kollegen natürlich weiterhin viel Erfolg. Ich bin gespannt auf die nächsten Produkte!

Carola: Auch von meiner Seite vielen Dank für die Einladung in das Photonstudio. Es hat Spaß gemacht.

In der heutigen Episode von Photonstudio hat Carola mir erklärt, wie die Nahinfrarotspektroskopie funktioniert, welche Rolle das Licht dabei spielt und wie vielfältig die möglichen Anwendungsbereiche für dieses Verfahren sind. Diese Folge sowie alle anderen Podcast Episoden können Sie wie immer auf iTunes, Soundcloud, Spotify und Google Podcast. Viel Spaß damit und bis zur nächsten Episode im Photonstudio!

Breitband Infrarot-LED für Spektroskopie-Anwendungen