Betrug bei den Inhaltsstoffangaben von Lebensmitteln kann nicht nur wirtschaftliche Schäden anrichten, sondern auch zu gesundheitlichen Risiken führen. Labore nutzen daher Authentizitätsprüfungen, um festzustellen, ob bei Lebensmitteln die ausgewiesene geographische Herkunft stimmt, ob tatsächlich auf bestimmte Inhaltsstoffe wie Palmöl verzichtet wurde, oder ob keine weiteren hinzugefügt wurden. Bisher wird für diese Analysen kernmagnetische Resonanzspektroskopie (NMR) genutzt. Sie ermöglicht es, fast jede organische Substanz in einer bestimmten Probe eindeutig zu identifizieren. Die Analysen sind allerdings sehr teuer, denn die dafür benötigten Anlagen sind groß, komplex und kosten mehrere Millionen Euro.
Im BMBF-geförderten Projekt „QSPEC – Quantensensor zur verbesserten Detektion der Authentizität und der Inhaltsstoffe von Lebensmitteln“ wollen AMO , das Laser Zentrum Hannover (LZH), die AG Photonische Quantentechnologien der Leibniz Universität Hannover (LUH), Toptica Photonics, Amotronics und das Deutsche Institut für Lebensmitteltechnik (DIL) nun ein alternatives Prüfverfahren entwickeln: Die quantenbasierte Spektroskopiemethode soll kompakter, günstiger und hochsensitiv sein. „In dem Projekt kombinieren wir die Fortschritte aus zwei Bereichen”, sagt Dr. Stephan Suckow, Leiter der Nanophotonik Gruppe bei AMO und Koordinator des QSPEC-Projekts. „Einerseits bauen wir auf den Fortschritten der photonischen Chipindustrie auf, um ein kompaktes System zu entwickeln, das für die Massenproduktion geeignet ist. Andererseits nutzen wir sehr fortschrittliche Konzepte aus dem Bereich der Quantensensorik.“
„Wir erforschen ein Verfahren, welches es erlaubt mittels verschränkter Photonen die zu analysierende Substanz bei einer Wellenlänge zu messen und die daraus gewonnene Information bei einer anderen Wellenlänge zu detektieren“, so Suckow weiter. „Im ersten Schritt wird ein verschränktes Photonenpaar, bestehend aus einem langwelligen und einem kurzwelligen Photon erzeugt.“ Das langwellige Photon interagiert nun mit der Probe und ändert dabei beispielsweise seine Phase. Dieses manipulierte Photonenpaar wird dann in einem weiteren Prozesse eingespeist, in dem noch ein Photonenpaar erzeugt wird. Die im Paar enthaltenen Informationen werden durch Quanteninterferenz umgewandelt, sodass diese letztlich einfach durch die Zählrate der kurzwelligen Photonen auslesbar wird. Die kurzwelligen Photonen sind als Träger der Information mit aktueller Technik besonders gut messbar. Die Bandbreite der Photonenpaare macht es dabei möglich, die Probe spektral aufzulösen.
Spektren: Fingerabdrücke der Lebensmittelproben
„Die daraus entstehenden Spektren der einzelnen Lebensmittelproben sind dabei wie Fingerabdrücke“, erklärt Suckow „Wir können diese Fingerabdrücke dann mit anderen Referenzproben vergleichen und dadurch Rückschlüsse auf Inhaltsstoffe und geographische Charakteristika ziehen.“
Notwendig für die Erzeugung der Quantenfrequenzkämme sind neuartige Laserstrahlquellen, die das LZH und Toptica für das Projekt entwickeln. AMO wird durch nanolithographische Methoden Chips erstellen, die die notwendige Technik auf kleinstem Raum unterbringt. Die für die Detektion notwendige ultraschnelle Elektronik wird Amotronics beisteuern. Das Institut für Photonik der LUH wird im Anschluss die einzelnen Komponenten zu einem System zusammenführen, so dass das DIL die neue Methode testen und eine Referenzbibliothek aufbauen kann.
Laser Zentrum Hannover e.V.
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