Quantenbasierte Spektroskopie soll Lebensmittelbetrug schneller aufdecken

Lebensmittelbetrug verursacht jährlich Milliardenschäden und kann zu erheblichen Gesundheitsrisiken führen. Beispiele dafür sind etwa das Strecken von Honig oder Orangensaft mit Zuckerwasser oder von Tequila mit Zucker und anderen Alkoholen. Bisher lässt sich die Echtheit von Produkten nur im Labor überprüfen – aufwändig, teuer und zeitintensiv. Das BMFTR-geförderte Projekt QSPEC möchte dies ändern. Der Ansatz: ein quantenbasiertes Spektroskopieverfahren, das deutlich kompakter und günstiger sein soll als bisherige Verfahren. Im Fokus stehen dabei Honig und Orangensaft, die laut einer Studie mit zu den am häufigsten manipulierten Lebensmitteln gehören. Die sechs Partner AMO, Photonische Quantentechnologien der Leibniz Universität Hannover (LUH), die Toptica Photonics, die AMOtronics UG und das Deutsche Institut für Lebensmitteltechnik (DIL) sowie das Laser Zentrum Hannover (LZH) arbeiten zusammen an einem System aus einem Laser, quantenoptischen Elementen und einer dazugehörigen Erfassung.

Wellenlängenunterschiede von Photonenpaaren nutzbar machen

Das Spektroskopie-Verfahren basiert darauf, dass verschränkte Photonenpaare zur Messung genutzt werden. Das langwellige Photon interagiert mit der Probe, verändert dabei seine Eigenschaft und in einem zweiten Schritt wird diese Änderung auf ein kurzwelliges Photon übertragen. Dieses hat einen entscheidenden Vorteil bei der Messung: das langwellige Photon interagiert besonders gut mit der Probe, das kurzwellige lässt sich besser messen.

Laser für die Erzeugung von verschränkten Photonen

Zwei wichtige Bausteine des geplanten Spektroskopie-Systems sind fertiggestellt. Toptica und das LZH haben neuartige Laserstrahlquellen entwickelt, mit denen sich verschränkte Photonen mithilfe eines Quantenfrequenzkamms erzeugen lassen. Die beiden Partner haben jeweils ein unterschiedlich konzipiertes System an die LUH ausgeliefert. Beide Laser emittieren bei einer Wellenlänge von 1.950  nm und besitzen eine sehr schmale spektrale Linienbreite von unter 1 GHz, die für die Anregung des Quantenfrequenzkamms notwendig ist. Die Strahlquellen unterscheiden sich in ihren Pulsdauern. Der Laser des LZH arbeitet im Pikosekundenbereich. Der Laser von Toptica emittiert im Dauerstrich (cw) und ist modensprungfrei von 1.920  nm bis 1.980  nm durchstimmbar.

Verschränkte Photonen-Paare erfolgreich erzeugt

Parallel dazu hat AMO erste nanophotonische Chips für das Projekt gefertigt. Diese Chips vereinen wesentliche Bestandteile der für die Messung notwendigen Technik auf kleinstem Raum, wie etwa die zur Erzeugung der Quantenfrequenzkämme mit den Lasern von Toptica und LZH. Die LUH hat an von AMO gefertigten Chips bereits erfolgreich die Erzeugung von Photonen-Paaren bei einer Wellenlänge von 1.550 nm gemessen – ein erster wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem quantenbasierten Messprinzip.

System zur Temperaturstabilisierung

Damit die einzelnen perfekt aufeinander abgestimmten Komponenten bei den empfindlichen Quantenmessungen reproduzierbare Ergebnisse liefern, sind stabile Temperaturbedingungen entscheidend. Dazu hat AMOtronics bereits ein System zur Temperaturstabilisierung aufgebaut. Das Besondere daran ist der modulare Aufbau. Dieser ermöglicht auf bis zu acht Kanälen eine einfach zu konfigurierende unabhängige digitale Präzisionsregelung (PID) und Überwachung der Temperatur. Neben einer grafischen Bedienoberfläche hat das System eine programmierbare Softwareschnittstelle zur flexiblen Integration auch in komplexere Anlagen.

Referenzdatenbank mit Orangensaft und Honig

In der nächsten Projektphase werden die Partner das Labor-System weiter auf- und zu einem ersten kompakten Prototypen umbauen. Mit diesem System wird das DIL Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik Lebensmittelproben gegen bestehende Referenzmethoden testen. Dazu bauen sie aktuell bereits eine Referenzdatenbank auf Basis gängiger Verfahren, wie NIR- und NMR-Spektroskopie, für den späteren Vergleich auf. Als erste Lebensmittelproben dienen Orangensaft und Honig. Im nächsten Schritt werden die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler dieselben Messungen mit dem Prototypen durchführen, um dessen analytische Leistungsfähigkeit einzuordnen und ihn gezielt weiter zu verbessern. Damit ergänzen sie die Datenbank und können dann Rückschlüsse auf Herkunft und Zusammensetzung der Lebensmittelmittel ziehen – idealerweise zukünftig schneller, genauer, einfacher oder zuverlässiger im Vergleich zu den bisherigen Verfahren.

Die Projektpartner wollen mit dem Projekt einen Grundstein legen für ein industrielles System, das klein und preiswert genug für einen flächendeckenden Einsatz ist. Ihre Vision ist dabei, dass die Funktion sich direkt im Smartphone integrieren lässt – damit jede und jeder wirklich weiß, was in unserer Nahrung ist.