Fotonica-startup MantiSpectra maakt het mogelijk om chemische analyses buiten het lab uit te voeren

Waarom moeten chemische analyses persé in een laboratorium uitgevoerd worden, door goed opgeleid personeel? Dankzij startup MantiSpectra, dat een spectraal detectiesysteem op basis van fotonische chips op de markt heeft gebracht, is de classificering en kwantificering van de materiaalsamenstelling nog nooit zo eenvoudig geweest.

Een boer kan lang niet alle informatie over zijn gewassen achterhalen door er enkel naar te kijken. Een rode tomaat bijvoorbeeld is bijna klaar om geoogst te worden. Maar wanneer is het de beste tijd om te oogsten? Het drooggewicht, het suikergehalte of de concentratie van ander smakelijke stoffen kunnen nog toenemen. Dit wordt allemaal te niet gedaan als de vrucht te vroeg wordt geoogst.

Startup MantiSpectra wil dit probleem oplossen door boeren een extra paar ogen te geven. De spin-off van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) ontwikkelt daarom een draagbaar optisch detectiesysteem dat in luttele seconden een schat aan informatie geeft over de chemische samenstelling van een tomaat. Deze informatie is niet alleen nuttig voor het bepalen van de beste oogsttijd, maar ook voor het optimaliseren van de groeiomstandigheden en, na de oogst, voor de kwaliteitscontrole in de distributieketen.

Natuurlijk is dit apparaat niet alleen geschikt voor tomatenboeren. Het kan ook worden gebruikt voor vele andere gewassen. Daarnaast kan deze technologie niet alleen in de landbouw- en voedingsindustrie toegepast worden, maar ook binnen heel veel andere sectoren. Denk aan de textielrecycling-, farmaceutische - en gezondheidssector. En ook binnen de consumentenelektronica biedt de technologie een legio aan mogelijkheden: denk aan mensen die hun smartphone, die beschikt over de sensor van MantiSpectra, gebruiken om te bepalen of hun melk zuur is geworden of om te kijken of ermee geknoeid is.  

“Als we de spectrometers – normaliter grote wetenschappelijke instrumenten die alleen bediend kunnen worden door goed opgeleid personeel – uit het lab halen om daar waar nodig chemische analyses in real-time uit te voeren, kan de technologie op heel veel verschillende manieren worden toegepast binnen verschillende markten. Ik ben er zeker van dat er veel toepassingen zijn die we nog niet zijn tegengekomen of waar we nog niet aan hebben gedacht”, zegt CEO Maurangelo Petruzzella van MantiSpectra. “Ik heb er alle vertrouwen in dat we onze technologie snel kunnen opschalen en al deze kansen kunnen benutten door gebruik te maken van de expertise van PhotonDelta, het publiek-private fotonicapartnerschap, en van de infrastructuur die de Nederlandse geïntegreerde fotonica-industrie al heeft opgebouwd.”

Veelbelovende aanvragen

De naam van de jonge onderneming verwijst naar de Mantisgarnaal, een zeeschaaldier dat een van de meest complexe ogen van alle dieren heeft. Mensen beschikken over drie soorten fotoreceptoren, die gevoelig zijn voor rood, groen en blauw licht. Het oog van de Mantisgarnaal bevat zo’n zestien fotoreceptoren, die licht kunnen detecteren variërend van diep ultraviolet tot verrood. De kerntechnologie van MantiSpectra is gebaseerd op een kleine chip die ook is uitgerust met zestien ‘fotoreceptoren’, waarvan elke fotoreceptor een ander licht detecteert. In tegenstelling tot het zeedier, detecteert de chip echter alleen licht in het nabije infrarood (NIR) dat een bereik heeft van 820-1680 nanometer. Hier kan heel veel informatie uit worden gehaald.

“Onze chip is ongeveer 1x1 millimeter groot en bestaat uit zestien indium gallium arsenide pixels die op silicium zijn gelijmd. De pixels beschikken allemaal over een ander type filter dat gevoelig is voor NIR-licht. Ons detectiesysteem werkt als volgt: er wordt breedbandig NIR-licht op het monster geschenen. Onze chip vangt vervolgens het gereflecteerde licht op. Dit levert een soort ‘vingerafdruk’ op, onze ruwe informatie”, zo legt Petruzzella uit.

Om de ruwe informatie bruikbaar te maken, moeten we deze informatie aansluiten op een model gebaseerd op machine learning, dat de gemeten reflectie-intensiteiten (of het gebrek daaraan) correleert met de chemische samenstelling van het monster. Het opstellen van zo’n model is nogal wat werk, maar als het eenmaal klaar is, hoeft de meting nooit meer op de ouderwetse en tijdrovende manier uitgevoerd te worden. MantiSpectra levert een kant-en-klaar model voor een aantal interessante toepassingen. Het model kan meteen worden gebruikt. Daarnaast biedt het bedrijf de gebruiker de mogelijkheid om te helpen bij het ontwikkelen en valideren van nieuwe modellen. 

Om de haalbaarheid van het idee te bewijzen, ontwikkelt MantiSpectra momenteel samen met verschillende partners uit de agrofoodindustrie een dergelijk model. In de toekomst wil de startup haar technologie beschikbaar stellen aan geïnteresseerde partijen – potentiële eindgebruikers, instrumentatieleveranciers en systeemintegratoren, zodat zij kunnen testen of zij de technologie ook kunnen gebruiken binnen hun toepassingen. “Eerlijk gezegd begint het nu echt druk te worden. We ontvangen ongelofelijk veel aanvragen van over de hele wereld. Met onze beperkte middelen is het een uitdaging om alle aanvragen door te nemen en de meest veelbelovende aanvragen eruit te filteren”, zegt Petruzzella.

Afhankelijk van de manier waarop de technologie toegepast gaat worden, brengt MantiSpectra eigen producten op de markt of verstrekt het bedrijf licenties aan bedrijven die de spectrale technologie in hun producten willen integreren.

Op dit moment worden de chips van MantiSpectra vervaardigd in de cleanrooms van de TU/e. Als de technologie meer toegepast gaat worden en er meer chips geproduceerd moeten worden, wordt het productieproces mogelijk uitbesteed aan lokale partners. “Het is geweldig om in deze regio te zitten, omdat zich hier al veel bedrijven bevinden die zich bezighouden met geïntegreerde fotonica. Het feit dat we toegang hebben tot een lokale gieterij en een assemblagefaciliteit is voor ons van onschatbare waarde”, zegt Petruzzella, die in Italië is geboren en in eerste instantie naar Nederland is gekomen om te promoveren aan de TU/e.

Het Nederlandse ecosysteem gericht op geïntegreerde fotonica heeft zich verenigd in PhotonDelta (zie kader ‘De groeistrategie van PhotonDelta’), een publiek-privaat partnerschap dat ten doel heeft een wereldwijd toonaangevende fotonicasector te creëren. PhotonDelta bevordert (internationale) samenwerking, stimuleert kennisdeling tussen leden, stippelt roadmaps uit en ondersteunt bedrijven, met name startups, op zakelijk gebied. “PhotonDelta heeft ons zeer geholpen, met name door deze technologie onder de aandacht te brengen van de vroege volgers. Ik verwacht dat de kennis en ervaring van PhotonDelta de komende jaren ook van onschatbare waarde zal zijn bij de opschaling van onze onderneming.”