V posledních letech přitahovaly biologické a biomateriální mikrokavity a mikrolasy velkou pozornost kvůli jejich potenciálu při sledování, označování, biologické detekci, kódování buněk, informační bezpečnosti a proti soustředění. Žádný výzkum se však nezaměřoval na vytváření laserů pomocí jedlých látek. Nedávno tým profesora Matjaž Humar ze Slovinska zveřejnil své výsledky v pokročilých optických materiálech a vyvíjel mikrolaserový systém vyrobený výhradně jedlé látky, úspěšně vložil čárové kódy a senzory přímo do potravin a vytvořil novou technickou cestu pro sledování bezpečnosti potravin. Tento výzkum významně zvyšuje sledovatelnost, bezpečnost a čerstvost monitorování potravin a léčiv, jakož i nejedců a poskytuje nové technické řešení pro monitorování životního prostředí, farmaceutická pole a biomedicínské aplikace.
Jak vyrobit jedlé mikrolasery?
Lasery se skládají hlavně ze tří složek: zdroje čerpadla, získání média a rezonanční dutiny. Médium zisku je fluorescenční barvivo, které poskytuje optický zisk prostřednictvím stimulované emise. Studie prokázala dva typy mikrokavitin: režim Whispering Gallery Mode (WGM) a Fabry-Perot (FP). Mikrolaser je čerpán vnějším zdrojem světla, jako je pulzní laser. Když optický zisk v dutině překročí optickou ztrátu, systém dosáhne laserového prahu a emituje laserové světlo. Ve studii se používají jedlé látky jako zisk a dutiny. Běžně se vyskytují v potravinách a medicíně a používají se v rozumných množstvích a formách. Použité látky nejsou nijak chemicky modifikovány, takže vizuální vzhled, chuť a nutriční hodnota produktu se významně nezmění a jeho environmentální hodnota je udržována.
Výzkumný tým systematicky prověřil schválené potravinové přísady a nakonec identifikoval několik klíčových materiálů laserových zisků:
- Rodina chlorofylu: Studie zjistila, že kvantový výnos chlorofylu-A ve slunečnicovém oleji dosáhl 0. 3, což je dostatečné pro podporu laserových emise. Koncentrace chlorofylu přirozeně obsažená v olivovém oleji může dosáhnout laserového účinku bez potřeby jakýchkoli dalších látek.
- Vitamin B2 (riboflavin): S kvantovým výnosem 0. 27 funguje dobře ve vodném roztoku a poskytuje ideální laserové médium pro produkty na bázi vody.
- Karmín: Toto tradiční barvení potravin vykazuje dobrý laserový výkon v mastném prostředí a rozšiřuje jeho aplikační rozsah.
Inovativní design architektury laserové dutiny
Výběr rezonančních dutinových materiálů závisí na konfiguraci a funkci mikrolaseru. Obvykle by tyto materiály měly být transparentní a v některých konfiguracích musí mít vysoký index lomu nebo být reflexní, když se používají jako zrcadlo, takže k vytvoření dutiny lze použít různé oleje, máslo, agar, želatina, chitosan a tenké stříbrné listy. Pokud jde o návrh laserové dutiny, výzkumný tým prokázal dvě inovativní architektury:
Režim Whispering Gallery Mode (WGM): Použití optického celkového účinku vnitřní reflexe kapiček oleje nebo pevných mikrosfér má WGM obvykle velmi vysoké faktory Q. Výzkumný tým dosáhl lasingu pomocí 2 mm chlorofylu-A nebo 4 mm karmínu rozpuštěného ve slunečnicovém oleji. U kapiček dopovaných chlorofylem překročil měřený Q faktor 9 0 00, s průměrným prahem lasingu 4,5 μJ a standardní odchylkou 0,2 μJ. Minimální velikost kapiček potřebná k dosažení lasingu je asi 35 μm. Kromě čistého chlorofylu-A mohou nefunkční směsi chlorofylu extrahované ze špenátu a dokonce i čistého olivového oleje také emitovat lasing z olejových kapiček ve vodě, ale prahová hodnota lasingu je asi třikrát vyšší. Olivový olej přirozeně obsahuje dostatek chlorofylu, který se má použít jako laser ve formě olejových kapiček bez přidání jakýchkoli jiných látek. Vrcholy WGM byly také pozorovány ve spektru pod prahem lasingu, když byly vzrušeny pomocí laseru kontinuální vlny (CW) nebo diody emitující světlo (LED).
Fabry-Perot (FP): Lineární dutina sestávající ze dvou zrcadel se ziskem mezi nimi. Navrhovaný jedlý laser FP používá jedlé stříbrné listy jako reflektory, agar nebo želatinu jako strukturální podporu a prostor mezi zrcadly je naplněn 2 mm chlorofylem rozpuštěným ve slunečnicovém oleji nebo 5 mm riboflavin fosfát rozpuštěné ve vodném roztoku. Když byla dutina naplněná slunečnicovým olejem dopovaným chlorofylem čerpána pulzním laserem, v emisním spektru nad lasingovou prahovou energií 6 μj se objevily ostré, stejně rozmístěné píky, s průměrným prahem 5,9 μJ a 2 μj. Lasing bylo také dosaženo za použití dutiny naplněné vodným roztokem fosfátu sodného riboflavinu.
Unclonable Precision čárový kód
Tato studie demonstruje schopnost přesného kódování informací jedlých mikrolaserů. Kapičky monodisperse připravené mikrofluidiky mají koeficient variačního koeficientu velikosti pouze 0. 2%-0. Velikost každé kapičky lze přesně měřit laserovou spektroskopií s chybou pouze 1,2 nm. Výzkumný tým vyvinul 14- bitový binární kódovací systém, který může teoreticky generovat 16 384 jedinečných identifikačních kódů. To stačí k kódování klíčových informací, jako jsou informace o výrobci, datum výroby, datum vypršení platnosti a původ. Vzhledem k fyzickým omezením procesu přípravy je toto kódování fyzicky nesklobitelné a poskytuje konečnou ochranu proti soustředění pro produkty s vysokou hodnotou.
Ve skutečné demonstraci výzkumný tým úspěšně kódoval „International Day k zastavení potravinového odpadu, 26. dubna, 2 0 17“ do konzervovaných broskví. Celý proces kódování vyžaduje pouze 5 ul slunečnicového oleje a energetický příspěvek k 500 ml produktu je zanedbatelný (pouze 0,008 kcal\/100 ml). Po jednom roce úložiště lze kódované informace stále dokonale číst.
Multifunkční monitorování snímání pro bezpečnost potravin
Kromě funkce proti soustředění systém také demonstruje silné schopnosti snímání a poskytuje metodu monitorování v reálném čase pro bezpečnost potravin:
Přesné měření koncentrace cukru: Použití citlivosti dutiny WGM na index lomu okolního média, je dosaženo měření koncentrace cukru s přesností 0. 2%, což je srovnatelné s výkonem komerčních refraktometrů. To má velký význam pro kontrolu kvality produktů, jako je víno a šťáva.
Dynamické monitorování hodnoty pH: Prostřednictvím expanze filmu chitosanu reagující na pH je dosažena detekce pH s přesností 0. 05 PH jednotek. V experimentu s kazením mléka byla úspěšně sledována nepřetržitá změna hodnoty pH v průběhu několika dnů a poskytla nový nástroj pro předpovídání trvanlivosti mléčných výrobků.
Detekce mikrobiálního růstu: Inovativní použití želatiny obohacené o živiny jako snímací médium, když želatináza produkovaná bakteriemi rozkládá strukturu, laserový signál zmizí a intuitivně naznačuje mikrobiální kontaminaci. Tento koncept „sebezničujícího“ senzoru otevírá nový způsob včasného varování před kazící jídla.
Indikace expozice teploty: Jedlé tuky s různými body tání se používají k výrobě komponent citlivých na teplotu. Jakmile je struktura vystavena teplotě nad nastavenou teplotou, trvale se mění a poskytuje nevratnou metodu záznamu pro monitorování přepravy chladného řetězce.
Shrnutí a výhled
Tato studie prokázala několik jedlých laserů a jejich aplikace při zvyšování potravy a bezpečnosti léčiv. Jednalo se o první systematické studium jedlých laserových barviv a mikrokavitin, která demonstruje dva typy mikrokavitin: režim Whispering Gallery a Fabry-Perot režim, ověřující vynikající výkon jedlých mikrolaserů jako senzorů a čárových kódů. Výzkumný tým poukázal na to, že kromě potravin lze tuto technologii aplikovat také na sledování kvality a sledování životního prostředí spotřebitelských produktů, jako je kosmetika a zemědělské výrobky. Současně lze tento koncept rozšířit na biomedicínské pole, jako jsou drogové tobolky a lékařské implantáty, poskytující nové nástroje pro personalizovanou medicínu.
Obrovský potenciál laserové technologie v oblasti bezpečnosti potravin poskytuje inovativní řešení globálních otázek bezpečnosti potravin. Jak technologie dále dozrává, přichází nová éra „chytrého jídla“ - každý produkt bude mít vlastní „optickou identifikační kartu“, kterou nelze vytvořit s možností sledování zdraví v reálném čase.
