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.
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.«
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.«
