09. 10. 2025
Verfasst von: Matthias Haupt, Sebastian Smarzyk

Mini-Spektrometer – mobil und kostengünstig

Das Foto zeigt einen Rahmen, der eine durchsichtige Scheibe hält. Darauf befinden sich weitere optische Bauelemente, in die ein schwarzes Kabel mündet. In diesem Bereich tritt ein violettes Leuchten nach draußen. — Demonstrator des optischen Spektrometers: Das reflektierte Licht einer Probe (nicht abgebildet) wird über eine Faser (schwarzes Kabel, POF) in die Optik eingekoppelt. Auf der transparenten Kunststoffscheibe (PMMA) befindet sich ein optisches Gitter, das das einfallende Licht in seine einzelnen Wellenlängen zerlegt. Das violette Licht hier besteht aus mehreren Wellenlängen, die von einem externen Detektor (nicht abgebildet) aufgezeichnet und ausgewertet werden.

In vielen Branchen ist die schnelle Analyse von Inhaltsstoffen entscheidend, zum Beispiel bei der Lebensmittelkontrolle, medizinischen Diagnostik oder Medikamentenprüfung. Zum Einsatz kommen hierfür in der Regel Laborspektrometer – diese sind jedoch oft groß, teuer und ortsgebunden. Die Jade Hochschule zeigt, dass es auch anders geht: Im Projekt MiniSpectral entwickeln Forschung und Industrie gemeinsam ein kompaktes Mini-Spektrometer als mobile und kostengünstige Messtechnik.

Miniaturisierte Messtechnik – vom Labor in die Praxis

Rückschlüsse hinsichtlich der Zusammensetzung von Materialien liefert oft die Spektroskopie. Bei diesem Verfahren wird Licht in seine verschiedenen Wellenlängen räumlich aufgeteilt. Die untersuchten Substanzen liefern charakteristische Lichtspektren, womit sie sich identifizieren lassen. Herkömmliche Laborspektrometer sind jedoch oft groß, teuer und ortsgebunden. Ein Forschungsteam der Jade Hochschule entwickelt im aktuell Projekt MiniSpectral gemeinsam mit der Firma Innolite ein mobiles, polymerbasiertes, miniaturisiertes Spektrometer. Dieses kann effizient, kostengünstig und flexibel eingesetzt werden.

Das miniaturisierte Spektrometer zeichnet sich durch seine kompakte Bauform aus und lässt sich leicht transportieren. „Herkömmliche Laborspektrometer sind mindestens so groß wie ein Aktenkoffer. Im Gegensatz dazu ist das neue System nur etwa so groß wie eine Zigarettenschachtel“, verdeutlicht Projektleiter Prof. Dr.-Ing. Matthias Haupt von der Jade Hochschule. Durch den Einsatz kostengünstiger Kunststoffoptiken, anstelle klassischer Glasoptiken, sinken die Herstellungskosten deutlich. Das verwendete Fertigungsverfahren erlaubt zudem eine wirtschaftliche Skalierung für eine spätere Serienproduktion.

Hochpräzise Gitter aus transparentem Kunststoff

Die Arbeitsgruppe von Matthias Haupt hat das grundlegende Design des Spektrometers mittels optischer Simulationen (Ansys ZEMAX OpticStudio) entwickelt und optimiert. Für die benötigte diffraktive Gitterstruktur, die das Licht in die verschiedenen Wellenlängen aufteilt, fertigte das Unternehmen Innolite über Ultrapräzisionsbearbeitung einen hochpräzisen Stempel aus Nickel-Phosphor (1 Mikrometer Gitterkonstante, Blazewinkel 60°) an. Den Stempel nutzen die Forschenden, um planare Gitterstrukturen im Heißprägeverfahren aus PMMA, einem optisch transparenten Kunststoff, herzustellen. Diese werden mit einem PMMA-Grundkörper verklebt und zu einem ersten funktionalen Aufbau kombiniert.

Ein Rahmen hält die optischen Bauteile, in die ein schwarzes Kabel führt. Die optischen Bauteile leuchten grün. Im Hintergrund sind kameraähnliche Geräte zu sehen. — Normalerweise wird das reflektierte Licht einer Probe untersucht. Hier kommt das grüne Licht von einer Laserdiode, wie sie im Hintergrund zu sehen sind. Mit definierten Wellenlängen, hier 532 Nanometer, lässt sich überprüfen, ob diese am vorgesehenen Ort aus der Optik austreten.

Derzeit wird ein erster Labordemonstrator erprobt. „Unser Ziel ist es, das optische Konzept unter realen Bedingungen zu bestätigen und die Grundlage für eine Überführung in ein marktfähiges Produkt zu schaffen“, sagt Matthias Haupt. Damit leiste MiniSpectral einen Beitrag zum Transfer von Forschung in praxisnahe Anwendungen, die insbesondere für kleine und mittlere Unternehmen interessant sind.