Dansk kamera kan fotografere kemiske stoffer
Forskere fra DTU har opfundet et kamera, der kan bruges til at diagnosticere sygdomme, måle forurening og analysere fødevarer. Kameraet kan nemlig registrere kemiske fingeraftryk fra et væld af stoffer.

Det infrarøde kamera er mindre, billigere og bedre end eksisterende modeller. Det fylder ikke mere, end at man kan tage det med på farten. (Foto: DTU Fotonik)

Det infrarøde kamera er mindre, billigere og bedre end eksisterende modeller. Det fylder ikke mere, end at man kan tage det med på farten. (Foto: DTU Fotonik)

Tænk, hvis man bare skulle ånde på et lille apparat for at få at vide, om man havde astma eller lungekræft.

Hvis man blot kunne rette et kamera mod en fisk for at finde ud af, om den er fordærvet.

Eller kunne fotografere røgen fra en skorsten eller et udstødningsrør og øjeblikkeligt finde ud af, hvad der udsendes af forurenende stoffer.

Det kan alt sammen blive muligt ved hjælp af en opfindelse, som Jeppe Seidelin Dam, Peter Tidemand-Lichtenberg og Christian Pedersen fra Institut for Fotonik på Danmarks Tekniske Universitet (DTU) har udviklet:

Et uhyre følsomt, kompakt kamera, der kan fotografere stråling i det midtinfrarøde område, og som kan bruges til at identificere en lang række kemiske stoffer på afstand.

Apparatet fungerer ved at opfange de karakteristiske 'fingeraftryk', som kemiske stoffer udsender.

»Specielt i det midtinfrarøde område ligger der rigtig meget information om, hvad det er for noget kemi, man kigger på,« fortæller lektor Peter Tidemand-Lichtenberg.

Udåndingsluften kan rumme tegn på kræft

Der er mange områder, hvor forskernes teknologi kan bruges.

»Det kan f.eks. være fødevareanalyse og overvågning af udstødningsgasser, men også sådan noget som åndedrætsanalyse, hvor man kigger efter meget små koncentrationer af specifikke molekyler i udåndingsluften,« siger Peter Tidemand-Lichtenberg.

Apparatet fungerer nærmest som et avanceret objektiv til et digitalkamera. Her forvandles den infrarøde stråling forvandles til lys, som kan registreres af kameraets billedchip. (Illustration: DTU Fotonik)

Den menneskelige ånde rummer mere end 1000 forskellige molekyler, og nogle af dem skyldes sygdom.

Hvis udåndingsluften rummer en forhøjet mængde ethan, kan det være et tegn på astma, og hvis lægerne ved hjælp af den nye teknologi finder stofferne 1-butanol og 3-hydroxy-2-butanon i udåndingsluften, skal de undersøge patienten ekstra grundigt for lungekræft.

»Vi kan også kigge på faste stoffer og væsker såvel som biologisk materiale,« siger forsker Jeppe Dam, der bruger cancerdiagnostik som et eksempel på, hvad apparatet kan bruges til. Sygdomsfremkaldte celleforandringer i væv giver nemlig også nogle kemiske fingeraftryk, der kan genkendes.

Peter Tidemand-Lichtenberg er enig i, at teknologien engang i fremtiden vil kunne anvendes på den måde:

»Samtidig med at man laver et kirurgisk indgreb, kan man bruge vores kamera til at finde ud af, om man har fået fjernet hele tumoren, eller om der stadig er noget tilbage.«

Drivhusgasser lyser op

Gasmolekyler vibrerer på nogle helt bestemte måder. Når de gør det, absorberer eller udsender de et infrarødt lys svarende til det enkelte molekyles vibrationstilstand.

Ved at måle lyset kan man finde ud af, hvad det er for en gas, der er til stede.

Kameraet kan ikke bare måle den stråling, der udsendes af molekyler, det kan også røbe, når molekylerne absorberer strålingen, fortæller Jeppe Dam:

»Hvis vi for eksempel vender vores kamera mod Solen, og så kan vi se, hvilke drivhusgasser der er i atmosfæren. Så kigger vi på, hvilke bølgelængder af varmestrålingen fra Solen, der ikke trænger igennem atmosfæren og derfor mangler i billedet.«

Ved at analyse den infrarøde stråling, der kommer fra et stearinlys, kan forskerne se, at det blandt andet udsender vanddamp, kuldioxid og sod. (Illustration: DTU Fotonik)

Ganske små koncentrationer af drivhusgasser som kuldioxid, kulilte, methan og lattergas kan afsløres af kameraet, som i princippet også kan rettes mod andre stjerner end Solen og om de planeter, der kredser om dem. På den måde kan man finde ud af, hvad atmosfæren om disse planeter består af.

Mindre, bedre og billigere

Der findes allerede kameraer, der kan opfange den interessante midtinfrarøde stråling, men de tre forskere fra DTU har fundet en måde, hvorpå man kan fremstille meget effektive kameraer på en langt smartere måde, end det er tilfældet i dag.

»Hvor kendt teknologi er noget med store, tunge kameraer, der skal køles ned til minus et par hundrede grader for at give et godt signal, så fungerer vores meget bedre, selv om det overhovedet ikke er kølet ned,« siger Jeppe Dam og fortsætter:

»Det er forholdsvist kompakt og transportabelt, og det kan køre på batterier, for det bruger ikke ret meget strøm. Og det er klar til brug, så snart man tænder det.«

Objektivet gør hele forskellen

Faktisk er det ikke et nyt kamera, forskerne har opfundet, men et apparat, der kan sættes foran billedchippen i et almindeligt digitalkamera, der ellers kun kan opfange lys i det synlige og nærinfrarøde område.

»Man kan sammenligne det med et objektiv til et spejlreflekskamera,« forklarer Jeppe Dam.

»I apparatet skifter vi bølgelængden af det lys, der kommer ind, så vi kan tage billeder af det infrarøde lys. Vi konverterer simpelthen lyset, som det passerer igennem vores 'objektiv'.«

Apparatet omdanner midtinfrarød stråling med bølgelængder på mellem 2,85 og 5 mikrometer til lys med en bølgelængde på omkring 0,8 mikrometer. Det lys er chippen i et almindeligt kamera rigtig god til at opfange.

Får energi fra laserlys

Rent teknisk fungerer apparatet ved, at den midtinfrarøde stråling blandes med lys fra en laserstråle i en særlig krystal. Hver infrarøde foton (lyspartikel) får et skud ekstra energi fra en laser-foton, og resultatet er en foton, der kan registreres af en billedchip i et almindeligt digitalkamera.

Vi er en million gange bedre end vores nærmeste konkurrenter!

Jeppe Dam

»Den teknologi har sådan set været kendt siden 1960'erne, men forskerne gav op omkring 1980, fordi man dengang kun kunne konvertere én ud af fem millioner fotoner,« fortæller Peter Tidemand-Lichtenberg.

»Vores gennembrud er, at vi har øget virkningsgraden, så vi nu konverterer én ud af fem fotoner,« fortsætter han.

»Ja, i gennemsnit tager vi hver femte infrarøde foton og lægger energien fra en laserfoton til,« bakker Jeppe Dam op.

»Vi er en million gange bedre end vores nærmeste konkurrenter!« siger han.

Det er formentlig netop derfor, at det anerkendte videnskabelige tidsskrift Nature Photonics har accepteret forskernes artikel om teknologien.

På vej mod hvermandseje

Nu har forskerne vist, at det kan lade sig gøre at udvikle et ekstremt følsomt, kompakt midtinfrarødt kamera, der kan bruges til at afsløre en mængde forskellige interessante molekyler. Så er spørgsmålet, hvornår vi alle sammen kan få vores helt eget apparat til åndedrætsanalyse.

»Projektet er stadig i en relativ tidlig fase. Der er rigtig mange forskelligartede anvendelser, og nu kan man begynde at målrette vores teknologi til specifikke anvendelser. Det kræver en del mere ingeniørarbejde,« siger Peter Tidemand-Lichtenberg.

Prototypen har kostet omkring 50.000 kroner i komponenter alene, men forskerne anslår, at man formentlig kunne komme ned i nærheden af 10.000 kroner ved en masseproduktion. Som Jeppe Dam siger det:

»Det bliver ikke hvermandseje lige foreløbigt, men vi er på vej derhen.«

Hej! Vi vil gerne fortælle dig lidt om os selv

Nu hvor du er nået helt herned på vores hjemmeside, er det vist på tide, at vi introducerer os.

Vi hedder Videnskab.dk, kom til verden i 2008 og er siden vokset til at blive Danmarks største videnskabsmedie med 1 million brugere om måneden.

Vores uafhængige redaktion leverer dagligt gratis forskningsnyheder og andet prisvindende indhold, der med solidt afsæt i videnskabens verden forsøger at give dig aha-oplevelser og væbne dig mod misinformation.

Vores journalister fortæller historier om både kultur, astronomi, sundhed, klima, filosofi og al anden god videnskab indimellem - i form af artikler, podcasts, YouTube-videoer og indhold på sociale medier.

Vi stiller meget høje krav til, hvordan vi finder og laver vores historier. Vi har lavet et manifest med gode råd til at finde troværdig information, og vi modtog i 2021 en fornem pris for vores guide til god, kritisk videnskabsjournalistik.

Vores redaktion gør en dyd ud af at få uafhængige forskere til at bedømme betydningen af nye studier, og alle interviewede forskere citat- og faktatjekker vores artikler før publicering.

Hvis du går rundt og undrer dig over stort eller småt, vil vi elske at høre fra dig og forsøge at give dig svar med forskernes hjælp. Send bare dit spørgsmål til vores brevkasse Spørg Videnskaben.

Vi håber, at du vil følge med i forskningens forunderlige opdagelser her på Videnskab.dk.

Få et af vores gratis nyhedsbreve sendt til din indbakke. Du kan også følge os på sociale medier: Facebook, Twitter, Instagram, YouTube eller LinkedIn.

Med venlig hilsen

Videnskab.dk

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Danske corona-tal

Videnskab.dk går i dybden med den seneste corona-forskning. Læs vores artikler i temaet her.

Hver dag opdaterer vi også de seneste tal.

Dyk ned i grafer om udviklingen i antal smittede, indlagte og døde i Danmark og alle andre lande.

Ny video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's videojournalister med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Ugens videnskabsbillede

Se flere forskningsfotos på Instagram, og læs om astronautens foto af polarlys, som du kan se herunder.