Viime vuosina biologiset ja biomateriaaliset mikrokappaleet ja mikrolaserit ovat herättäneet paljon huomiota johtuen niiden potentiaalista seurannassa, merkinnöissä, biologisessa havaitsemisessa, soluparkokoodauksessa, tietoturvassa ja vastakohdassa. Mikään tutkimus ei ole kuitenkaan keskittynyt laserien luomiseen syötävien aineiden avulla. Äskettäin professori Matjaž Humar -ryhmän Sloveniasta julkaisi tulokset edistyneisiin optisiin materiaaleihin, kehittämällä mikrolaaserijärjestelmää, joka on valmistettu kokonaan syötävistä aineista, upottaen viivakoodit ja anturit suoraan ruokaan ja luo uuden teknisen polun elintarviketurvallisuuden seurantaan. Tämä tutkimus parantaa merkittävästi elintarvikkeiden ja lääkkeiden sekä ei-syöttämättömien tuotteiden jäljitettävyyttä, turvallisuutta ja tuoreutta seurantaa, ja tarjoaa uuden teknisen ratkaisun ympäristön seurantaan, farmaseuttisiin aloihin ja biolääketieteellisiin sovelluksiin.
Kuinka tehdä syötäviä mikrolasereita?
Laserit koostuvat pääasiassa kolmesta komponentista: pumpun lähde, vahvistusväliaine ja resonanssi onkalo. Vahvistusväliaine on fluoresoiva väriaine, joka tarjoaa optisen vahvistuksen stimuloidun emission avulla. Tutkimus osoitti kahden tyyppisiä mikrohuuhteita: kuiskaava galleriatila (WGM) ja Fabry-Perot (FP) -tila. Mikrolaseria pumpataan ulkoisella valonlähteellä, kuten pulssilaserilla. Kun ontelon optinen voitto ylittää optisen menetyksen, järjestelmä saavuttaa laserkynnyksen ja säteilee laservaloa. Syötäviä aineita käytetään tutkimuksen hyötyaineena ja onteloina. Niitä esiintyy yleisesti ruoassa ja lääketieteessä, ja niitä käytetään kohtuullisissa määrissä ja muodoissa. Käytetyt aineet eivät ole kemiallisesti muokattuja millään tavalla, joten tuotteen visuaalinen ulkonäkö, maku ja ravitsemusarvo ei ole merkittävästi muuttunut, ja sen ympäristöarvo ylläpidetään.
Tutkimusryhmä seuloi systemaattisesti hyväksyttyjä elintarvikelisäaineita ja tunnisti lopulta useita keskeisiä laserhahmojen materiaaleja:
- Klorofylliperhe: Tutkimuksessa havaittiin, että klorofylli-A: n kvanttisaanto auringonkukkaöljyssä saavutettiin 0. 3, mikä riittää laserpäästöjen tukemiseen. Oliiviöljyyn luonnollisesti sisältyvä klorofyllipitoisuus voi saavuttaa laservaikutuksen ilman lisäaineita.
- B2 -vitamiini (riboflaviini): 0}.
- Karmiininpunainen: Tämä perinteinen ruokaväritys osoittaa hyvää laser suorituskykyä öljyisessä ympäristössä, laajentaen sen käyttövalikoimaa.
Innovatiivinen laser ontelon arkkitehtuurisuunnittelu
Resonanssisontelamateriaalien valinta riippuu mikrolaserin kokoonpanosta ja toiminnasta. Yleensä näiden materiaalien tulisi olla läpinäkyviä, ja joissakin kokoonpanoissa niiden on oltava korkea taitekerroin tai heijastettava, kun niitä käytetään peilinä, joten ontelon valmistukseen voidaan käyttää erilaisia öljyjä, voita, agaria, gelatiinia, kitosaania ja ohuita hopealehtiä. Laser -onkalon suunnittelussa tutkimusryhmä osoitti kaksi innovatiivista arkkitehtuuria:
Kuiskaava galleriatila (WGM): Öljypisaroiden tai kiinteiden mikropallojen optisen sisäisen heijastusvaikutuksen avulla WGM: llä on yleensä erittäin korkeat Q -tekijät. Tutkimusryhmä saavutti laskun käyttämällä 2 mm klorofylli-A: ta tai 4 mm: n karmiinia liuenneen auringonkukkaöljyyn. Klorofylli-seostettujen pisaroiden osalta mitattu Q-kertoimet ylittivät 9 0 00, keskimääräisen laskikynnyksen ollessa 4,5 μJ ja keskihajonta 0,2 μJ. Lasingin saavuttamiseen tarvittava pisaran koko on noin 35 μm. Puhtaan klorofylli-A: n lisäksi pinaatista ja jopa puhdasta oliiviöljystä uutettuja klorofylliseoksia voi myös päästä veteen öljypisaroista, mutta laskikynnys on noin kolme kertaa korkeampi. Oliiviöljy sisältää luonnollisesti tarpeeksi klorofylliä käytettäväksi laserina öljypisaroiden muodossa ilman muita aineita. WGM -piikit on havaittu myös laskikynnyksen alapuolella olevassa spektrissä, kun se on viritetty käyttämällä jatkuvaa aalto (CW) -laseria tai valoa säteilevää diodia (LED).
Fabry-Perot (FP): Lineaarinen ontelo, joka koostuu kahdesta peilistä, joiden väliaine on niiden välillä. Ehdotettu FP -syötävä laser käyttää syötäviä hopealehtiä heijastimina, agarina tai gelatiinina rakenteellisena tukena, ja peilien välinen tila täytetään 2 mM: n klorofyllillä, joka on liuennettu auringonkukkaöljyyn tai 5 mM riboflaviinin natriumfosfaattiin liuennettuna vesiliuokseen. Kun klorofylli-seostetulla auringonkukkaöljyllä täytetty ontelo pumpattiin pulssilaserilla, terävät, tasavälillä varustetut piikit ilmestyivät emissiospektriin 6 μJ: n laskikynnyksen energiaa, mikä osoittaa laskun läsnäolon FP-ontelossa, keskimäärin laskimonsarjassa 5,9 μJ ja standardipotilaa {6}. Lasointi saavutettiin myös käyttämällä onteloa, joka oli täytetty riboflaviinin natriumfosfaatti -vesiliuoksella.
Selaamaton tarkkuusviivakoodi
Tämä tutkimus osoittaa syötävien mikrolaserien tarkkuustietojen koodauskyvyn. Mikrofluidien valmistamien monodisperien pisaroiden kokovariaatiokerroin on vain 0. 2%-0. 4%, jotka voivat saavuttaa nanomittakaavan koon hallinnan tarkkuuden. Kunkin pisaran koko voidaan mitata tarkasti laserpektroskopialla, jonka virhe on vain 1,2 nm. Tutkimusryhmä kehitti 14- bittibinaarikoodausjärjestelmän, joka voi teoreettisesti tuottaa 16 384 yksilöllistä tunnistuskoodia. Tämä riittää koodaamaan avaintiedot, kuten valmistajan tiedot, tuotantopäivä, päättymispäivä ja alkuperä. Valmistusprosessin fysikaalisten rajoitusten vuoksi tämä koodaus on fyysisesti kiistaton, mikä tarjoaa lopullisen korotuksen vastaisen suojauksen arvon arvon tuotteille.
Todellisessa mielenosoituksessa tutkimusryhmä koodasi onnistuneesti "Kansainvälisen päivän lopettamaan ruokajätteet 26. huhtikuuta, 2 0 17" säilykkeisiin. Koko koodausprosessi vaatii vain 5 μl auringonkukkaöljyä, ja energian vaikutus 500 ml: lle tuotetta on vähäinen (vain 0,008 kcal\/100 ml). Yhden vuoden tallennuksen jälkeen koodatut tiedot voidaan silti lukea täydellisesti.
Monitoiminen anturin seuranta elintarviketurvallisuuden varalta
Käsittelyn vastaisen toiminnan lisäksi järjestelmä osoittaa myös tehokkaita anturiominaisuuksia tarjoamalla reaaliaikaisen seurantamenetelmän elintarviketurvallisuudelle:
Sokeripitoisuuden tarkka mittaus: Käyttämällä WGM -ontelon herkkyyttä ympäröivän väliaineen taitekerroimeen, sokeripitoisuuden mittaus saavutetaan 0. 2%, mikä on verrattavissa kaupallisten tulenkestävänmittarien suorituskykyyn. Tällä on suuri merkitys tuotteiden, kuten viinin ja mehun, laadunvalvonnassa.
PH -arvon dynaaminen seuranta: Kitosaanikalvon pH-reaktiivisen laajentumisen kautta saavutetaan pH-havaitseminen 0. 05 pH-yksiköt. Maidon pilaantumiskokeessa seurattiin onnistuneesti pH -arvon jatkuvaa muutosta useiden päivien aikana, mikä tarjosi uuden työkalun maitotuotteiden säilyvyyden ennustamiseen.
Mikrobien kasvun havaitseminen: Ravinteisiin rikastetun gelatiinin innovatiivinen käyttö havaitsivan väliaineena, kun bakteerien tuottama gelatinaasi hajottaa rakenteen, lasersignaali katoaa intuitiivisesti osoittaen mikrobien kontaminaation. Tämä "itsetuhoisan" anturin konsepti avaa uuden tavan varhaisvaroitukseen ruoan pilaantumisesta.
Lämpötilan altistuminen: Syötävät rasvat, joilla on erilaiset sulamispisteet, käytetään lämpötilaherkän komponentin valmistamiseen. Kun rakenne on alttiina lämpötilaan asetetun lämpötilan yläpuolella, rakenne muuttuu pysyvästi, mikä tarjoaa peruuttamattoman tallennusmenetelmän kylmäketjun kuljetuksen seurantaan.
Yhteenveto ja näkymät
Tämä tutkimus osoitti useita syötäviä lasereita ja niiden sovelluksia elintarvikkeiden ja lääketurvallisuuden parantamiseksi. Se oli ensimmäinen systemaattinen tutkimus syötävistä laserväristä ja mikrokappaleista, jotka osoittivat kahden tyyppisiä mikrohahmoja: kuiskaava galleriatila ja Fabry-Perot-tila, tarkistaen syötävien mikrolaserien erinomaisen suorituskyvyn anturina ja viivakoodeina. Tutkimusryhmä huomautti, että ruoan lisäksi tätä tekniikkaa voidaan soveltaa myös kuluttajatuotteiden, kuten kosmetiikan ja maataloustuotteiden, laadun seurantaan ja ympäristön seurantaan. Samanaikaisesti tämä käsite voidaan laajentaa lääketieteellisille aloille, kuten lääkekapseleille ja lääketieteellisille implanteille, tarjoamalla uusia työkaluja henkilökohtaiseen lääketieteeseen.
Laser -tekniikan valtava potentiaali elintarviketurvallisuudessa tarjoaa innovatiivisia ratkaisuja globaaliin elintarviketurvallisuuskysymyksiin. Kun tekniikka kypsyy edelleen, uusi "Smart Food" -kausi on tulossa - jokaisella tuotteella on oma "optinen henkilökortti", jota ei voida väärentää reaaliaikaisten terveysvalvontaominaisuuksien kanssa.
