Optische spectroscopie
Optische spectroscopie is de wetenschap die de interactie van licht met voorwerpen beschrijft. Alle voorwerpen en materialen zijn opgebouwd uit moleculen, die bestaan uit verschillende atomen. De kwantummechanica leert ons dat de energie-niveaus van de elektronen in een atoom gekwantificeerd zijn. Er zijn dus slechts een beperkt aantal energie-toestanden mogelijk waarin het elektron zich kan bevinden (energie-niveau 1, 2, of 3 in figuur 1). Moleculen hebben nog extra energie-niveaus, afhankelijk van de trillingen van de atomen in het molecule en de draaiing van de moleculen op zich. Deze extra energie-niveaus worden respectievelijk de trillings- en rotatie-niveaus genoemd. Optische spectroscopie bestudeert de overgangen van de elektronen tussen de energie-niveaus.
Figuur 1: energiediagrammen van een atoom en molecule.

Wanneer men een voorwerp belicht met een elektromagnetische golf (lichtgolf die bv. wordt uitgezonden door een lamp of laser) kunnen de elektronen in het molecule van het ene naar het andere energie-niveau overgaan. Indien de energie van een invallend lichtdeeltje (foton) overeenkomt met de energie-niveaus van het molecule, zal het lichtdeeltje een elektron exciteren. Het elektron gaat dan van een laag naar een hoog energie-niveau, door de absorptie van de energie van het lichtdeeltje. Vervolgens kan het elektron terugvallen naar het lagere energie-niveau, door warmte af te geven (dit proces, waarbij een lichtdeeltje wordt geabsorbeerd en zijn energie wordt omgezet in warmte, noemt men selectieve absorptie) of door een nieuw lichtsignaal uit te zenden (fluorescentie). Selectieve absorptie kan men waarnemen bij gekleurde voorwerpen, zoals een rode appel (figuur 2a). Indien men met een spectraal breedbandige lamp die alle golflengten van het zichtbare spectrum uitzendt (‘wit licht’) op een rode appel schijnt, zullen enkel de rode lichtdeeltjes weerkaatsen en door onze ogen worden opgevangen. Alle andere lichtdeeltjes worden geabsorbeerd. Deze lichtdeeltjes exciteren de elektronen, die vervolgens hun opgenomen energie afgeven via trillingen, onder de vorm van warmte. Fluorescentie kan worden waargenomen wanneer men bv. een eurobiljet onder een blacklight lamp (blauw, UV licht) legt (figuur 2b). Bij belichting van het eurobiljet met het UV licht, worden de invallende lichtdeeltjes geabsorbeerd en de elektronen geëxciteerd. Het geëxciteerde elektron verliest eerst een beetje energie onder de vorm van warmte, waarna het terugvalt naar de lagere energietoestand door afgifte van de opgenomen energie via de emissie van een lichtsignaal (rode lichtdeeltjes in figuur 2b).

Figuur 2: elektronen-overgangen bij (a) selectieve absorptie en (b) fluorescentie.

Selectieve absorptie en fluorescentie worden momenteel onder meer gebruikt in optische sorteermachines om de kwaliteit van groenten en fruit te controleren. De voedingsproducten bewegen hierbij zeer snel (een paar ton/uur) over een transportband en worden belicht met verschillende lasers (figuur 3). Op basis van de interactie van het laserlicht met de producten kunnen ongewenste voorwerpen en minder kwalitatieve voedingsproducten worden geïdentificeerd. Deze ongewenste producten kunnen vervolgens uit de voedselstroom verwijderd worden. Via het gebruik van selectieve absorptie kunnen bijvoorbeeld zwarte plekjes op de voedingsproducten worden geïdentificeerd, aangezien deze plekjes, in tegenstelling tot de gekleurde voedingsproducten, geen licht reflecteren. Fluorescentie wordt bijvoorbeeld gebruikt om groen glas van groene groenten te onderscheiden. De chlorophyll pigmenten in groene groenten zenden fluorescentie-licht uit na belichting met blauw laser-licht, terwijl groen glas geen fluorescentie-licht zal uitzenden.

Figuur 3: optische sorteermachine die ongewenste producten uit een voedselstroom verwijdert via de studie van de interactie van het laserlicht met de producten.

We onderzoeken het gebruik van optische spectroscopie voor de detectie van kankerverwekkende stoffen in voedsel, zoals maïs. Deze stoffen zijn onzichtbaar voor het menselijk oog en kunnen momenteel enkel via dure en tijdrovende chemische testen worden geïdentificeerd. Deze chemische testen kunnen bovendien enkel op een steekproef worden toegepast, aangezien de chemicaliën de voedingsproducten zelf ook aantasten. Via optische spectroscopie willen we een snelle, accurate en niet-destructieve technologie ontwikkelen die toelaat elk product individueel te controleren op de aanwezigheid van kankerverwekkende stoffen.

We bestuderen hiervoor eerst de interactie van verschillende lasers met de producten, waarna het belichtings- en detectiesysteem wordt geoptimaliseerd ter maximalisatie van het verschil tussen de lichtsignalen van de goede en slechte producten. Via deze methode hebben we bijvoorbeeld de detectie van kankerverwekkende stoffen in maïs kunnen optimaliseren, door belichting met het geschikte UV licht (figuur 4). Op het einde van dit onderzoek streven we naar de integratie van het ontwikkelde belichtings- en detectiesysteem in commerciële sorteermachines, om kankerverwekkende stoffen snel en efficiënt uit de voedseltroom te kunnen verwijderen.

Figuur 4: detectie van kankerverwekkende stoffen in maïs: (a) mix van gezonde en besmette maïskorrels; (b) besmette stukjes maïs fluoresceren wanneer ze belicht worden met UV licht (omcirkelde stukjes)

Over de auteur

Lien_120x120pxLien Smeesters

Lien Smeesters werkt als doctoraatsstudent aan de Vrije Universiteit Brussel (VUB), in het Brussels Photonics Team (B-PHOT), binnen het boeiende vakgebied van de fotonica. Ze is gefascineerd door de wetenschap van het licht en werkt momenteel voornamelijk rond optische spectroscopie en het  optisch design van lenzen en spiegels.