Terafood newsflash: Geluid gebruiken om te kijken of je voedsel nog vers is

Terafood newsflash: Geluid gebruiken om te kijken of je voedsel nog vers is

We hebben het allemaal wel al eens meegemaakt: er ligt een ongeopend pakje verse vis in je frigo 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 verpakkingen een einde brengt aan de beschermende atmosferische omgeving. Toch betekent het gebrek aan een individuele testmethode dat er enorme hoeveelheden voedsel dat nog consumeerbaar is, verspild worden. In het Terafood project (https://terafood.iemn.fr/) onderzoeken we de ontwikkeling van een sensor die het voedselbederf van elke individuele verpakking kan meten, terwijl het pakje gesloten en onbeschadigd blijft. De sensor is gebaseerd op de zogenaamde foto-akoestische techniek, waarbij een sensor geluid detecteert dat door indicatormoleculen voor voedselbederf (volatiele organische stoffen, VOS’s) gecreëerd wordt (meer info over die VOS’s is beschikbaar in de eerste Terafood newsflash1).

Om dit te kunnen doen hebben we kleine, goedkope, energie-efficiënte sensors nodig die binnenin voedselverpakkingen geplaatst 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 sensors. Vergeleken met elektronische chips, gebruiken silicium fotonische chips diezelfde fabricatietechnologieën, maar manipuleren ze licht in de plaats van elektriciteit. Oorspronkelijk werden silicium fotonische chips voornamelijk in telecom en datacentrums gebruikt om via optische vezels te communiceren. Toch nemen ook sensorische toepassingen in de fotonica snel toe, zoals bv. meten van de bloedsuikerspiegel in-situ, detecteren van seksueel overdraagbare infecties, opsporen van verschillende chemische bestanddelen, meten van temperatuur, spanning, nabijheid,…

Zowel elektronica als fotonica werken met elektromagnetische golven, maar elk met verschillende frequenties, 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). Daartussen vinden we terahertz frequenties (0.1-10 THz), die ofwel beschouwd worden als licht met een erg lage energie of als radiogolven met een erg hoge frequentie. Het is echter niet vanzelfsprekend om die golven te genereren en te detecteren. Meestal worden gekoelde bronnen (en detectoren) gebruikt bij slechts enkele Kelvin.

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 materiaal dat doorgaans voor voedselverpakkingen 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 problemen bij generatie van de golven overwinnen door de detector gevoelig genoeg te maken, zodanig dat die compatibel is met goedkope, maar zwakke, elektronische bronnen met weinig vermogen. Het gebruik van sterk gekoelde cryodetectoren kunnen we dan ook omzeilen door het signaal naar een andere energievorm te sturen, i.e. geluid.

Dit is de foto-akoestische techniek. Het is een vorm van optische spectroscopie aangezien het moleculen detecteert op basis van de golflengte van het licht die ze absorberen. Echter, in plaats van te meten hoeveel licht er doorgelaten (niet geabsorbeerd) wordt door de VOS’s, maken we maken het mogelijk dat het gas het geabsorbeerde licht omzet in geluid, dat vervolgens gedetecteerd kan worden.

Laten we wat dieper ingaan op de fysische mechanismen achter zo’n foto-akoestische sensor. Wanneer de gassen die aanwezig zijn in een voedselverpakking bijvoorbeeld de 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 bij een specifieke frequentie zullen er bijgevolg drukgolven ontstaan met diezelfde frequentie. We hebben dan enkel een microfoon nodig die dit signaal detecteert om zo de terahertz absorptie te bepalen en vast te stellen welke gassen aanwezig zijn in de voedselverpakking.

De foto-akoestische techniek wordt al gebruikt voor erg gevoelige metingen, maar vergt nog altijd voorbereiding van het staal, set-up en werk in het labo. Daar tegenoverstaand ontwikkelen wij in dit project een sensor die erg klein is, in situ kan werken en geen speciale, arbeidsintensieve voorbereiding nodig zal hebben. Verder garandeert het gebruik van microchips een erg lage kostprijs en dat de energie tot een veel kleinere ruimte dan normaal kan beperkt worden waardoor een sterke verbetering van het signaal en het gebruik van kleine, goedkope en energie-efficiënte toestellen mogelijk gemaakt kan worden. Tenslotte maakt de sensor het mogelijk om stalen te testen zonder de verpakking te openen, en dus te vernielen, dankzij het gebruik van terahertz golven.

Salmon NE fw headerimage

Wij ontwikkelen een on-chip sensor die binnenin voedselverpakkingen geplaatst wordt zodat we de versheid van het voedsel kunnen bepalen zonder de verpakking te openen. * Meer informatie over het project kan je vinden op de project website: https://terafood.iemn.fr/

* Als je meer informatie wenst over het project, aarzel dan niet contact op te nemen met de projectcoördinator Mathias Vanwolleghem - mathias.vanwolleghem@iemn.univ-lille1.fr

* Als je geïnteresseerd bent om lid te worden van de adviesraad van dit project, neem dan contact op met Isabelle Sioen - Isabelle.Sioen@UGent.be   

Met de steun van het Europees Regionaal Ontwikkelingsfonds

Terafood headerimage