Posljednjih godina, biološke i biomaterijalne mikrokavidnosti i mikrolazeri privukli su veliku pažnju zbog svog potencijala u praćenju, označavanju, biološkoj deteciji, berbodiranju ćelija, sigurnosti informacija i protiv krivotvorenja. Međutim, nijedno istraživanje nije fokusiralo na stvaranje lasera koristeći jestive tvari. Nedavno je profesor Matjaž Humarov tim iz Slovenije objavio svoje rezultate u naprednim optičkim materijalima, razvijanjem mikrolaserskih sistema napravljenih u potpunosti od jestivih tvari, uspešno ugrađujući barkodove i senzore direktno u hranu i stvarajući novi tehnički put za nadgledanje sigurnosti hrane. Ovo istraživanje značajno povećava praćenje, sigurnosti i svježine nadgledanja hrane i lijekova, kao i ne-divljim proizvodima i pruža novo tehničko rješenje za nadgledanje okoliša, farmaceutski polja i biomedicinske primjene.
Kako napraviti jestive mikro-mikrolete?
Laseri se uglavnom sastoje od tri komponente: izvor pumpe, steknite srednju i rezonantnu šupljinu. Medij dobiti je fluorescentna boja koja pruža optički dobitak po stimulisanom emisijom. Studija je pokazala dvije vrste mikrokavidnosti: šapućući mod galerije (WGM) i FABRY-Perot (FP). Mikrolaser pumpa se vanjskim izvorom svjetla, poput pulseranog lasera. Kada optički dobitak u šupljini prelazi optički gubitak, sustav dostiže laserski prag i emitira lasersko svjetlo. Jestive tvari koriste se kao dobitak medija i šupljine u studiji. Obično se nalaze u hrani i medicini i koriste se u razumnim količinama i oblicima. Korišćene tvari nisu hemijski modificirane ni na koji način, tako da se vizualni izgled, ukus i hranjiva vrijednost proizvoda ne mijenjaju značajno, a njegova vrijednost okoline se održava.
Istraživački tim sustavno pregledao odobrene dodatke za hranu i konačno su identificirali nekoliko ključnih materijala za laseru:
- Hlorofill porodica: Studija je otkrila da je kvorni prinos hlorofila-a u suncokretovom ulju dostigao 0. 3, što je dovoljno za podršku emisiji lasera. Klorofilna koncentracija prirodno sadržana u maslinovom ulju može postići lasersku učinku bez potrebe za dodatnim tvarima.
- Vitamin B2 (Riboflavin): Sa kvantnim prinosom od 0. 27, on dobro vrši u vodenoj otopini i pruža idealan laserski medij za proizvode na bazi vode.
- Carmine: Ova tradicionalna bojanje hrane izlaže dobre laserske performanse u masnom okruženju, širenjem raspona primjene.
Inovativna dizajn arhitekture laserske šupljine
Izbor rezonantnih materijala za šupljine ovisi o konfiguraciji i funkciji mikro-mikrolasera. Obično se ovi materijali trebaju biti transparentni, a u nekim konfiguracijama moraju imati visok indeks refrakcija ili su reflektirajuće kada se koriste kao ogledalo, tako razna ulja, puter, agar, gelatin, čitosan i tanki srebrni listovi mogu se koristiti za pravljenje šupljine. U pogledu dizajna laserske šupljine, istraživački tim pokazao je dvije inovativne arhitekture:
Šapunjeni režim galerije (WGM): Korištenje optičkog ukupnog internog efekta kapljica ulja ili čvrste mikrosfere, WGMS obično imaju vrlo visoke Q faktore. Istraživački tim postigao je lazama pomoću hlorofila od 2 mm-a ili 4 mm rastvorene u suncokretovom ulju. Za hlorofil-dopirane kaplete, izmjereni Q faktor je premašio 9 0 00, sa prosječnim pragom za lasiranje od 4,5 μj i standardnom odstupanju od 0,2 μj. Minimalna veličina kapljice potrebna za postizanje laze je oko 35 μm. Pored čistih klorofilnih miša, nerečišćenih klorofilnih mješavina izvađenih iz špinata, pa čak i čisto maslinovo ulje, također mogu emitirati laze iz kapljica ulja u vodi, ali prag za lazanje je otprilike tri puta veći. Maslinovo ulje prirodno sadrži dovoljno hlorofila koji se koristi kao laser u obliku kapljica ulja bez dodavanja bilo koje druge tvari. WGM vrhovi su također primijećeni u spektru ispod praga za lasiranje kada su uzbuđeni pomoću stalnog talasa (CW) lasera ili diode koji se emitiraju svjetlom (LED).
Fabry-Perot (FP): Linearna šupljina koja se sastoji od dva ogledala s medijom dobitka između njih. Predloženi FP Jestibi laser koristi jestivo srebrno listove kao reflektore, agar ili želatin kao strukturna podrška, a prostor između ogledala ispunjen je 2 mm hlorofilom otopljen u suncokretovom ulju ili 5 mm Riboflavin natrijum fosfat otopljen u vodenoj otopini. Kad se šupljina ispunjena klorofilnom suncokretovim uljem pumpušenim laserom, oštrim, jednako raspoređenim vrhovima pojavio se u emisijskom spektru iznad praga za lasiranje 6 μj, što ukazuje na prisustvo laze u FP šupljini, s prosječnim pragom za lazanje od 5,9 μj i standardnom odstupanju od 0. 2 μj. Lasing je postignut i šupljinom napunjenom riboflavinom natrijum fosfatom vodenim otopinom.
Neoblaživi precizni barkod
Ova studija pokazuje preciznu sposobnost kodiranja informacija jestivih mikrolazatora. Monodiže kapljice koje pripremaju mikrofluidics imaju koeficijent varijacije veličine samo 0. 2% {2}} 4%, koji može postići preciznost kontrole nanoskale. Veličina svake kapljice može se precizno mjeriti laserskim spektroskopijom s greškom od samo 1,2 nm. Istraživački tim razvio je 14- bitan binarni sistem kodiranja koji teoretski ne može generirati 16.384 jedinstvene identifikacione kodove. Ovo je dovoljno za kodiranje ključnih podataka kao što su podaci o proizvođaču, datum proizvodnje, datum isteka i porijekla. Zbog fizičkih ograničenja procesa pripreme, ovo kodiranje je fizički nejasno, pružajući vrhunsku zaštitu od krivotvorenja za proizvode visoke vrijednosti.
U stvarnoj demonstraciji, istraživački tim uspješno kodira "Međunarodni dan za zaustavljanje hrane za prehranu, 26. aprila 2, 0 17" u konzervirane breskve. Cijeli proces kodiranja zahtijeva samo 5 μl suncokretovog ulja, a doprinos energije na 500 ml proizvoda je zanemariv (samo 0,008 kcal / 100 ml). Nakon jedne godine skladištenja, kodirane informacije i dalje mogu biti savršeno čitanje.
Višenamjensko nadgledanje osjetljivosti za sigurnost hrane
Pored funkcije protiv krivotvorenja, sustav pokazuje i snažne mogućnosti osjetljivosti, pružajući metodu praćenja u stvarnom vremenu za sigurnost hrane:
Precizno merenje koncentracije šećera: Korištenje osjetljivosti WGM šupljine na indeks refraktivnog indeksa okolnog medija, mjerenje koncentracije šećera s tačnošću 0. 2%, što je uporedivo s performansama komercijalnih refraktora. To je od velikog značaja za kontrolu kvaliteta proizvoda poput vina i soka.
Dinamički nadzor pH vrijednosti: Kroz pH-odgovorno širenje Chitosana filma, pH otkrivanje s tačnošću 0. 05 PH se postižu. U eksperimentu s kvarom mleka, kontinuirana promjena pH vrijednosti tokom nekoliko dana uspješno je praćena, pružajući novi alat za predviđanje rok trajanja mliječnih proizvoda.
Otkrivanje mikrobnog rasta: Inovativna upotreba želatina obogaćenog hranjivim sastojcima kao osjetljiv medij, kada je gelatinaza koja proizvedena bakterijama razgrađuje strukturu, laserski signal nestaje, intuitivno ukazuje na kontaminaciju mikrobi. Ovaj koncept senzora "samouništavajući" otvara novi način za rano upozorenje o kvaru hrane.
Indikacija temperature izloženosti: Jestive masti s različitim točkama topljenja koriste se za pravljenje komponenti osjetljivih na temperaturu. Jednom izložena temperaturi iznad postavljene temperature, struktura se trajno mijenja, pružajući nepovratnu metodu snimanja za nadzor prevoza za hladno lanca.
Pregled i izgledi
Ova studija pokazala je nekoliko jestivih lasera i njihove primjene u unapređenju sigurnosti hrane i lijekova. Bila je to prva sistematična studija jestivih laserskih boja i mikrokavidnosti, koja pokazuje dvije vrste mikrokavidnosti: šapućući mod galerije i fabu-perot mod, provjera izvršne performanse jestivih mikro-mikro-senzora kao senzora i barkodova. Istraživački tim istaknuo je da se pored hrane, ova tehnologija može primijeniti i na kvalitetno praćenje i nadgledanje ekoloških proizvoda, kao što su kozmetika i poljoprivredni proizvodi. Istovremeno se ovaj koncept može proširiti na biomedicinska polja kao što su kapsule droge i medicinskih implantata, pružajući nove alate za personalizovanu medicinu.
Ogroman potencijal laserske tehnologije u oblasti sigurnosti hrane pruža inovativna rješenja za globalnu pitanja sigurnosti hrane. Kako tehnologija sazreva dalje, nova era "pametne hrane" dolazi - svaki proizvod će imati svoju "optičku ličnu kartu" koja se ne može krivotvoriti sa mogućnostima praćenja zdravlja u stvarnom vremenu.
