Lebensmittelbetrug erkennen mit Quantensensorik

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Direkt im Supermarkt kontrollieren ob die Inhaltsstoffe der Lebensmittel
im Einkaufswagen korrekt sind – an dieser Vision arbeiten die Partner des
Verbund-Projekts QSPEC. Sie wollen quantenmechanische Effekte für eine
neue, kompakt-umzusetzende Analysemethode für Lebensmittel nutzen. Wie das
funktioniert und woran das Team aktuell arbeitet, zeigt ein neues Video
zum Projekt.

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 im Journal of Food Science mit zu
den am häufigsten manipulierten Lebensmitteln gehören. Die sechs Partner
AMO GmbH, die AG Photonische Quantentechnologien der Leibniz Universität
Hannover (LUH), die TOPTICA Photonics SE, die AMOtronics UG und das
Deutsche Institut für Lebensmitteltechnik e.V. (DIL) sowie das Laser
Zentrum Hannover e.V. (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. Die TOPTICA SE 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 1950 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 1920 nm bis 1980 nm durchstimmbar.

Verschränkte Photonen-Paare erfolgreich erzeugt

Parallel dazu hat die AMO GmbH 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 1550 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 die AMOtronics UG
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 e.V.
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 Wissenschaftler:innen 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.

Über QSPEC

Das Projekt QSPEC wird vom Bundesministerium für Forschung, Technologie
und Raumfahrt (BMFTR) im Rahmen der Fördermaßnahme „Leuchtturmprojekte der
quantenbasierten Messtechnik zur Bewältigung gesellschaftlicher
Herausforderungen" gefördert. Verbundkoordinator ist die AMO GmbH. Weitere
Partner sind das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH), die AG Photonische
Quantentechnologien der Leibniz Universität Hannover (LUH), die TOPTICA
SE, AMOtronics UG und das DIL Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik
e.V. Assoziierte Partner sind AIRSENSE Analytics GmbH, J&M Analytik,
VPIphotonics GmbH und Food Processing Initiative e.V.