Das neue Verfahren basiert auf der hyperspektralen Bildgebung, also auf der Kombination aus spektralen und räumlichen Informationen. Mit kommerziell verfügbaren Komponenten können die Forschenden Standardkameras in eine HyperNIR-Kamera umfunktionieren und so spektrale Informationen in Bilder überführen. Sie nutzen dafür eine steuerbare Polarisationsoptik. Externe Marker, zum Beispiel Farbstoffe, können auch erfasst werden, sind aber nicht erforderlich.

Das System erstellt drei Aufnahmen pro Probe, die detaillierte spektrale Informationen liefern können. Während herkömmliche Verfahren eine Probe zeitintensiv abrastern müssen, sei die HyperNIR-Kamera deutlich schneller. "Die Fähigkeit, unterschiedliche Materialien und deren Eigenschaften in Echtzeit zu analysieren, kann die Effizienz von Prozessen in der Umweltüberwachung erheblich steigern", prognostiziert Sebastian Kruss.

So zeigten die Forschenden beispielsweise, dass sie mit der Hyper-NIR-Technik in Echtzeit verfolgen konnten – kontaktlos und ohne Farbstoffe einzusetzen, wie eine Paprika-Pflanze Wasser aufnimmt. "Diese hyperspektrale Bildgebung lässt sich potenziell auch auf andere Moleküle übertragen", gibt Jan Stegemann einen Ausblick. "So könnte man den Nährstoffgehalt in einer Pflanze überwachen oder einen Befall mit Schädlingen sowie pflanzlichen Stress frühzeitig erkennen."

Ausblick

Das HyperNIR-Verfahren kann auch mit der Fluoreszenzmikroskopie kombiniert werden, um verschiedene fluoreszierende Moleküle zu unterscheiden, die als Marker genutzt werden. Das macht das System potenziell für die biomedizinische Forschung interessant. Diesen Anwendungsbereich möchte das Team um Jan Stegemann und Sebastian Kruss künftig weiter erschließen.

"Eine Integration des Verfahrens in Drohnen könnte zudem eine neue Dimension der Datenerfassung und -analyse eröffnen und so bei der Lösung drängender Umweltfragen im Bereich Landwirtschaft helfen", skizziert Sebastian Kruss eine mögliche Weiterentwicklung der Technik.

Förderung

Die Arbeiten wurden durch das Fraunhofer Attract Programm, die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Exzellenzclusters RESOLV und die VolkswagenStiftung gefördert.

Publikation:
Jan Stegemann, Franziska Gröniger, Krisztian Neutsch, Han Li, Benjamin Scott Flavel, Justus Tom Metternich, Luise Erpenbeck, Poul Bering Petersen, Per Niklas Hedde, Sebastian Kruss: High-Speed Hyperspectral Imaging for Near Infrared Fluorescence and Environmental Monitoring, in: Advanced Science 2025, 12, 2415238. https://doi.org/10.1002/advs.202415238

Quelle: Ruhr-Universität Bochum