Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, mikrokaviti dan mikrolaser biologi dan biomaterial telah menarik banyak perhatian kerana potensi mereka dalam pengesanan, pelabelan, pengesanan biologi, barcoding sel, keselamatan maklumat dan anti-pemalsuan. Walau bagaimanapun, tiada penyelidikan telah memberi tumpuan kepada penciptaan laser menggunakan bahan yang boleh dimakan. Baru -baru ini, pasukan Profesor Matjaž Humar dari Slovenia menerbitkan hasilnya dalam bahan optik canggih, membangunkan sistem microlaser yang dibuat sepenuhnya dari bahan yang boleh dimakan, berjaya membenamkan kod bar dan sensor terus ke dalam makanan, dan mewujudkan laluan teknikal baru untuk pemantauan keselamatan makanan. Penyelidikan ini dengan ketara meningkatkan pemantauan, keselamatan dan kesegaran pemantauan makanan dan ubat-ubatan serta produk yang tidak boleh dimakan, dan menyediakan penyelesaian teknikal baru untuk pemantauan alam sekitar, bidang farmaseutikal dan aplikasi bioperubatan.
Bagaimana untuk membuat microlasers yang boleh dimakan?
Laser terutamanya terdiri daripada tiga komponen: sumber pam, mendapatkan rongga medium, dan resonan. Medium keuntungan adalah pewarna pendarfluor yang memberikan keuntungan optik melalui pelepasan yang dirangsang. Kajian ini menunjukkan dua jenis mikrokaviti: mod Galeri Whispering (WGM) dan Fabry-Perot (FP). Microlaser dipam oleh sumber cahaya luaran, seperti laser berdenyut. Apabila keuntungan optik dalam rongga melebihi kehilangan optik, sistem mencapai ambang laser dan memancarkan cahaya laser. Bahan -bahan yang boleh dimakan digunakan sebagai media keuntungan dan rongga dalam kajian ini. Mereka biasanya dijumpai dalam makanan dan perubatan dan digunakan dalam kuantiti dan bentuk yang munasabah. Bahan -bahan yang digunakan tidak diubah suai secara kimia dalam apa cara sekalipun, jadi penampilan visual, rasa dan nilai pemakanan produk tidak berubah dengan ketara, dan nilai alam sekitarnya dikekalkan.
Pasukan penyelidikan secara sistematik menyaring bahan tambahan makanan yang diluluskan dan akhirnya mengenal pasti beberapa bahan keuntungan laser utama:
- Keluarga klorofil: Kajian mendapati bahawa hasil kuantum klorofil-A dalam minyak bunga matahari mencapai 0 3, yang mencukupi untuk menyokong pelepasan laser. Kepekatan klorofil secara semulajadi yang terkandung dalam minyak zaitun dapat mencapai kesan laser tanpa memerlukan bahan tambahan.
- Vitamin B2 (riboflavin): Dengan hasil kuantum 0 27, ia berfungsi dengan baik dalam larutan akueus dan menyediakan medium laser yang ideal untuk produk berasaskan air.
- Carmine: Pewarna makanan tradisional ini mempamerkan prestasi laser yang baik dalam persekitaran yang berminyak, memperluaskan julat aplikasinya.
Reka bentuk seni bina rongga laser inovatif
Pilihan bahan rongga resonan bergantung kepada konfigurasi dan fungsi microlaser. Biasanya bahan -bahan ini harus telus, dan dalam beberapa konfigurasi, mereka perlu mempunyai indeks biasan yang tinggi atau menjadi reflektif apabila digunakan sebagai cermin, jadi pelbagai minyak, mentega, agar, gelatin, kitosan dan daun perak nipis boleh digunakan untuk membuat rongga. Dari segi reka bentuk rongga laser, pasukan penyelidikan menunjukkan dua seni bina inovatif:
Mod Galeri Berbisik (WGM): Menggunakan kesan refleksi dalaman optik titisan minyak atau mikrosfera pepejal, WGMS biasanya mempunyai faktor Q yang sangat tinggi. Pasukan penyelidikan mencapai lasing menggunakan 2 mm klorofil-A atau 4 mm Carmine dibubarkan dalam minyak bunga matahari. Untuk titisan klorofil-doped, faktor Q yang diukur melebihi 9 0 00, dengan ambang lasing purata 4.5 μJ dan sisihan piawai 0.2 μJ. Saiz titisan minimum yang diperlukan untuk mencapai lasing adalah kira -kira 35 μm. Sebagai tambahan kepada klorofil tulen-A, campuran klorofil yang tidak disahkan yang diekstrak dari bayam dan juga minyak zaitun yang tulen juga boleh memancarkan lasing dari titisan minyak di dalam air, tetapi ambang lasing kira-kira tiga kali lebih tinggi. Minyak zaitun secara semulajadi mengandungi klorofil yang cukup untuk digunakan sebagai laser dalam bentuk titisan minyak tanpa penambahan bahan lain. Puncak WGM juga telah diperhatikan dalam spektrum di bawah ambang lasing apabila teruja menggunakan laser gelombang berterusan (CW) atau diod pemancar cahaya (LED).
Fabry-Perot (FP): Rongga linear yang terdiri daripada dua cermin dengan medium keuntungan di antara mereka. Laser yang boleh dimakan FP yang dicadangkan menggunakan daun perak yang boleh dimakan sebagai reflektor, agar atau gelatin sebagai sokongan struktur, dan ruang di antara cermin dipenuhi dengan 2 mM klorofil yang dibubarkan dalam minyak bunga matahari atau 5 mM riboflavin nodium fosfat yang dibubarkan dalam larutan berair. Apabila rongga yang dipenuhi dengan minyak bunga matahari klorofil-doped dipam dengan laser berdenyut, tajam, puncak yang sama rata muncul dalam spektrum pelepasan di atas tenaga ambang lasing 6 μJ, menunjukkan kehadiran lasing di rongga fp, Lasing juga dicapai menggunakan rongga yang dipenuhi dengan larutan berair riboflavin natrium fosfat.
Barcode Precision yang tidak dapat dilepaskan
Kajian ini menunjukkan keupayaan pengekodan maklumat ketepatan microlasers yang boleh dimakan. Titisan monodisperse yang disediakan oleh microfluidics mempunyai pekali variasi saiz hanya 0. 2%-0. 4%, yang boleh mencapai ketepatan kawalan saiz nanoscale. Saiz setiap titisan boleh diukur dengan tepat oleh spektroskopi laser dengan kesilapan hanya 1.2 nm. Pasukan penyelidikan membangunkan sistem pengekodan binari 14- yang secara teorinya dapat menghasilkan 16,384 kod pengenalan unik. Ini cukup untuk menyandikan maklumat utama seperti maklumat pengeluar, tarikh pengeluaran, tarikh tamat tempoh, dan asal. Oleh kerana keterbatasan fizikal proses penyediaan, pengekodan ini secara fizikal tidak dapat dilepaskan, menyediakan perlindungan anti-pemalsuan muktamad untuk produk bernilai tinggi.
Dalam demonstrasi sebenar, pasukan penyelidikan berjaya mengodkan "Hari Antarabangsa untuk menghentikan sisa makanan, 26 April, 2 {4}} 17" ke dalam pic kalengan. Seluruh proses pengekodan hanya memerlukan 5 μl minyak bunga matahari, dan sumbangan tenaga kepada 500 ml produk boleh diabaikan (hanya 0.008 kcal\/100 ml). Selepas satu tahun penyimpanan, maklumat yang dikodkan masih boleh dibaca dengan sempurna.
Pemantauan penderiaan pelbagai fungsi untuk keselamatan makanan
Sebagai tambahan kepada fungsi anti-pemalsuan, sistem ini juga menunjukkan keupayaan penderiaan yang kuat, menyediakan kaedah pemantauan masa nyata untuk keselamatan makanan:
Pengukuran kepekatan gula yang tepat: Menggunakan sensitiviti rongga WGM ke indeks biasan medium sekitar, pengukuran kepekatan gula dengan ketepatan 0. 2% dicapai, yang dapat dibandingkan dengan prestasi refractometer komersial. Ini amat penting untuk kawalan kualiti produk seperti wain dan jus.
Pemantauan dinamik nilai pH: Melalui pengembangan pH-responsif filem kitosan, pengesanan pH dengan ketepatan 0. 05 unit pH dicapai. Dalam eksperimen kerosakan susu, perubahan nilai pH yang berterusan selama beberapa hari berjaya dikesan, menyediakan alat baru untuk meramalkan jangka hayat produk tenusu.
Pengesanan pertumbuhan mikrob: Penggunaan inovatif gelatin yang diperkaya nutrien sebagai medium penderiaan, apabila gelatinase yang dihasilkan oleh bakteria terurai struktur, isyarat laser hilang, secara intuitif menunjukkan pencemaran mikrob. Konsep sensor "merosakkan diri" ini membuka cara baru untuk memberi amaran awal tentang kerosakan makanan.
Petunjuk pendedahan suhu: Lemak yang boleh dimakan dengan titik lebur yang berbeza digunakan untuk membuat komponen sensitif suhu. Setelah terdedah kepada suhu di atas suhu yang ditetapkan, struktur berubah secara kekal, menyediakan kaedah rakaman yang tidak dapat dipulihkan untuk pemantauan pengangkutan rantai sejuk.
Ringkasan dan pandangan
Kajian ini menunjukkan beberapa laser yang boleh dimakan dan aplikasi mereka dalam meningkatkan keselamatan makanan dan dadah. Ia adalah kajian sistematik pertama pewarna laser yang boleh dimakan dan mikrokaviti, menunjukkan dua jenis mikro: Mod Galeri Whispering dan mod Fabry-Perot, mengesahkan prestasi cemerlang microlasers yang boleh dimakan sebagai sensor dan barcode. Pasukan penyelidikan menegaskan bahawa sebagai tambahan kepada makanan, teknologi ini juga boleh digunakan untuk pengesanan kualiti dan pemantauan alam sekitar produk pengguna seperti kosmetik dan produk pertanian. Pada masa yang sama, konsep ini boleh diperluaskan ke bidang biomedikal seperti kapsul dadah dan implan perubatan, menyediakan alat baru untuk ubat yang diperibadikan.
Potensi besar teknologi laser dalam bidang keselamatan makanan memberikan penyelesaian yang inovatif kepada isu keselamatan makanan global. Memandangkan teknologi itu matang lagi, era baru "makanan pintar" akan datang - setiap produk akan mempunyai "kad pengenalan optik" sendiri yang tidak dapat dipalsukan dengan keupayaan pemantauan kesihatan masa nyata.
