Tricorder & Co: Mit dem Handy Stoffe analysieren?

In fast all meinen Romanen nutzen die Protagonisten Geräte in der Größe eines Smartphones, um Stoffe zu untersuchen, auf die sie stoßen. Aktuelle Labortechnik ist noch ein ganzes Stück größer – aber das muss überhaupt nicht sein. Das beweist jetzt ein Forscherteam in einem Beitrag in den Review of Scientific Instruments. Das Team um Peter Rentzepis von der Texas A&M hat eine Erweiterung für ein gewöhnliches Mobiltelefon entwickelt, mit der das Gerät Chemikalien, Medikamente, biologische Moleküle und Krankheitserreger nachweisen kann.

Moderne Mobiltelefone verfügen über hochwertige Kameras, die in der Lage sind, niedrige Lichtstärken zu erkennen und Rauschen durch die Bildverarbeitung zu eliminieren. Diese Fähigkeit nutzen auch die Forscher, um zwei Verfahren der Spektroskopie umzusetzen. Die Fluoreszenzspektroskopie misst das von einer Probe emittierte Fluoreszenzlicht. Die sogenannte Raman-Spektroskopie ist nützlich, um Moleküle wie DNS und RNS zu erkennen, die nicht fluoreszieren oder Licht mit sehr geringer Intensität emittieren.

Das System enthält einen preiswerten Diodenlaser als Lichtquelle, der im rechten Winkel zur Verbindungslinie zwischen Probe und Handykamera ausgerichtet ist. Die rechtwinklige Anordnung verhindert, dass rückreflektiertes Licht in die Kamera gelangt. “Außerdem hat diese rechtwinklige Anregungsgeometrie den Vorteil, dass sie für die Analyse von Proben, bei denen eine Volumeneigenschaft gemessen werden soll, einfacher zu handhaben ist”, so Autor Peter Rentzepis.

Die Forscher untersuchten mit ihrem Handy-Detektor eine Vielzahl von Proben, darunter gängige Lösungsmittel wie Ethanol, Aceton, Isopropylalkohol und Methanol. Sie nahmen die Raman-Spektren von festen Objekten auf, darunter einer Karotte und eines Pellets mit Bakterien. Möhren wurden für diese Studie ausgewählt, weil sie das Pigment Carotin enthalten. Das in ihrem System verwendete Laserlicht hat eine Wellenlänge, die von diesem orangefarbenen Pigment und von den Pigmenten in den Bakterien leicht absorbiert wird.

Die Forscher verglichen die Empfindlichkeit ihres Systems mit den empfindlichsten industriellen Raman-Spektrometern. Das Verhältnis von Signal zu Rauschen war bei dem kommerziellen Gerät etwa 10-mal höher (also besser) als bei dem Smartphone-System. Die Empfindlichkeit des Handy-Detektors konnte jedoch leicht verdoppelt werden, indem nur ein einzelner RGB-Kanal für die Analyse verwendet wurde. Das System hat einen eher begrenzten Dynamikbereich, aber die Forscher merken an, dass dieses Problem einfach durch verschiedene HDR- (High Dynamic Range) Anwendungen überwunden werden könnte, die Bilder aus mehreren Belichtungen kombinieren.

Die zusätzlichen Komponenten, einschließlich des Lasers, kosten nur etwa 50 Dollar, was dieses System zu einem preiswerten, aber genauen Werkzeug für die Erkennung von Chemikalien und Krankheitserregern macht. Gut, rein optisch müssten die Forscher an der Hardware wohl noch etwas arbeiten. Ich befürchte ja, dass das übernächste iPhone dann auch den Kalorien- und Alkoholgehalt jeder damit fotografierten Speise groß und deutlich anzeigen wird.

 

Das Foto zeigt die relative Größe von Spektrometer (links) und Mobiltelefon (rechts und am unteren Ende des Spektrometers) (Bild: Peter Rentzepis)
Startrek-Tricorder (Bild: CC-BY-SA 2.0, Flickr)

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BrandonQMorris
  • BrandonQMorris
  • Brandon Q. Morris, 54, ist Physiker und beschäftigt sich beruflich und privat schon lange mit den spannenden Phänomenen des Alls. So ist er für den redaktionellen Teil eines Weltraum-Magazins verantwortlich und hat mehrere populärwissenschaftliche Bücher über Weltraum-Themen geschrieben. Er wäre gern Astronaut geworden, musste aber aus verschiedenen Gründen auf der Erde bleiben. Ihn fasziniert besonders das „was wäre, wenn“. Sein Ehrgeiz ist es deshalb, spannende Science-Fiction-Geschichten zu erzählen, die genau so passieren könnten – und vielleicht auch irgendwann Realität werden.