In recent years, biological and biomaterial microcavities and microlasers have attracted much attention due to their potential in tracking, labeling, biological detection, cell barcoding, information security and anti-counterfeiting. However, no research has focused on creating lasers using edible substances. Recently, Professor Matjaž Humar's team from Slovenia published their results in Advanced Optical Materialer, udvikling af et mikrolasersystem lavet udelukkende af spiselige stoffer, med succes indlejring af stregkoder og sensorer direkte i mad og skabelse af en ny teknisk sti til fødevaresikkerhedsovervågning . Denne forskning forbedrer markant sporbarhed, sikkerhed og friskhedsovervågning af fødevarer og medicin samt ikke-uudviklede produkter og giver en ny teknisk løsning til miljøovervågning, farmaceutisk fields og biomer. applikationer .
Hvordan laver man spiselige mikrolasere?
Lasere består hovedsageligt af tre komponenter: pumpekilde, forstærkningsmedium og resonanshulrum . Gain Medium er et fluorescerende farvestof, der giver optisk forstærkning gennem stimuleret emission . Undersøgelsen demonstrerede to typer mikrokaviteter: hviskende galleri-tilstand (WGM) og Fabry-Perot (FP) tilstand {{. microlaser er pumpe er pumped Kilde, såsom en pulseret laser . Når den optiske gevinst i hulrummet overstiger det optiske tab, når systemet lasergrænsen og udsender laserlys . spiselige stoffer bruges som forstærkningsmedier og hulrum i undersøgelsen {. De findes ofte i fødevarer og medicin og er anvendte i rimelige mængder og former og former {{{{{{}} de Bruges er ikke kemisk modificeret på nogen måde, så produktets visuelle udseende, smag og ernæringsværdi ændres ikke markant, og dets miljømæssige værdi opretholdes .
Forskningsteamet screenede systematisk godkendte fødevaretilsætningsstoffer og identificerede til sidst flere nøgle laserforstærkningsmaterialer:
- Chlorophyll -familie: Undersøgelsen fandt, at kvanteudbyttet af chlorophyll-A i solsikkeolie nåede 0 . 3, hvilket er tilstrækkeligt til at understøtte laseremission . Chlorophyllkoncentrationen, der naturligt indeholdt i olivenolie, kan opnå lasereffekten uden behov for yderligere stoffer.
- Vitamin B2 (riboflavin): Med et kvanteudbytte på 0 . 27 fungerer det godt i vandig opløsning og giver et ideelt lasermedium til vandbaserede produkter.
- Carmine: Denne traditionelle madfarve udviser god laserpræstation i et olieagtigt miljø og udvider sit applikationsområde .
Innovativt laserhulrumsarkitekturdesign
Valget af resonanshulrumsmaterialer afhænger af konfigurationen og funktionen af mikrolaseren . Normalt skal disse materialer være gennemsigtige, og i nogle konfigurationer skal de have et højt brydningsindeks eller være reflekterende, når de bruges som et spejl, så forskellige olier, smør, agar, gelatin, chitosan og tynde sølvblade kan bruges til at gøre hulen. Laserhulrumsdesign demonstrerede forskerteamet to innovative arkitekturer:
Whispering Gallery Mode (WGM): Ved hjælp af den optiske totale interne reflektionseffekt af oliedråber eller faste mikrosfærer har WGM'er normalt meget høje Q-faktorer . Forskningsteamet opnåede lasing ved hjælp af 2 mm chlorophyll-A eller 4 mm karmin opløst i solsikkeolie . for chlorophyll-doped droplets, det målte q-faktor oversteg med en gennemsnitligt 9000, med en gennemsnit of 4.5 μJ and a standard deviation of 0.2 μJ. The minimum droplet size required to achieve lasing is about 35 μm. In addition to pure chlorophyll-A, non-purified chlorophyll mixtures extracted from spinach and even pure olive oil can also emit lasing from Olie dråber i vand, men lasingtærsklen er cirka tre gange højere . olivenolie indeholder naturligvis nok chlorophyll til at blive brugt som laser i form af oliedråber uden tilsætning af andre stoffer. WGM -toppe er også blevet observeret i spektret under lasingtærsklen, når de er spændt ved hjælp af en kontinuerlig bølge (CW) laser eller en lysemitterende diode (LED).
Fabry-Perot (FP): Et lineært hulrum bestående af to spejle med et forstærkningsmedium mellem dem . Den foreslåede FP -spiselige laser bruger spiselige sølvblade som reflektorer, agar eller gelatine som strukturel støtte, og rummet mellem spejle er fyldt med 2 mm chlorophylle opløst i solsflydende olie eller 5 mm riboflavin sodium phosphate -afmattet i aquehyp solution. When the cavity filled with chlorophyll-doped sunflower oil was pumped with a pulsed laser, sharp, equally spaced peaks appeared in the emission spectrum above the lasing threshold energy of 6 μJ, indicating the presence of lasing in the FP cavity, with an average lasing threshold of 5.9 μJ and a standard Afvigelse på 0 . 2 μJ. Lasing blev også opnået under anvendelse af et hulrum fyldt med riboflavin natriumphosphat vandig opløsning.
Uklonbar præcisionsstregkode
This study demonstrates the precision information encoding capability of edible microlasers. The monodisperse droplets prepared by microfluidics have a size variation coefficient of only 0.2%-0.4%, which can achieve nanoscale size control accuracy. The size of each droplet can be accurately measured by Laserspektroskopi med en fejl på kun 1 . 2 nm . Forskningsteamet udviklede en 14- bit binært kodningssystem, der teoretisk kan generere 16.384 unikke identifikationskoder {{13} dette er nok til at indgå nøgleinformation, såsom producentoplysninger, produktionsdato, udvisningsdato og stim. På grund af de fysiske begrænsninger i forberedelsesprocessen er denne kodning fysisk uklarelig, hvilket giver den ultimative beskyttelse mod fornemme af høj værdi.
In the actual demonstration, the research team successfully encoded "International Day to Stop Food Waste, April 26, 2017" into canned peaches. The entire coding process only requires 5 μL of sunflower oil, and the energy contribution to 500 mL of product is negligible (only 0.008 kcal/100 mL). After one year of storage, the Kodet information kan stadig læses perfekt.
Multifunktionel sensingovervågning for fødevaresikkerhed
Ud over den anti-counterfjenende funktion demonstrerer systemet også kraftfulde sensing-kapaciteter, der giver en realtidsovervågningsmetode til fødevaresikkerhed:
Præcis måling af sukkerkoncentration: Ved hjælp af følsomheden af WGM -hulrummet over for det omgivende medium opnås sukkerkoncentrationsmåling med en nøjagtighed på 0 . 2%, hvilket er sammenligneligt med ydelsen af kommercielle refraktometre . Dette er af stor betydning for kvalitetskontrol af produkter som vin og juice.
Dynamisk overvågning af pH -værdi: Gennem den pH-responsive ekspansion af chitosanfilm opnås pH-detektionen med en nøjagtighed på 0 . 05 pH-enheder . i mælkeforsyningseksperimentet, den kontinuerlige ændring af pH-værdi over flere dage blev med succes sporet, hvilket giver et nyt værktøj til at forudsige holdningslivet for malkeprodukter.
Mikrobiel vækstdetektion: Innovativ brug af næringsberiget gelatine som et senserende medium, når gelatinasen produceret af bakterier nedbryder strukturen, forsvinder lasersignalet, og indikerer intuitivt mikrobiel
Temperatureksponeringsindikation: Spiselige fedtstoffer med forskellige smeltepunkter bruges til at fremstille temperaturfølsomme komponenter . Når den er udsat for en temperatur over den indstillede temperatur, ændres strukturen permanent, hvilket giver en irreversibel optagelsesmetode til overvågning af kolde kæde-transport-overvågning .
Resumé og udsigter
This study demonstrated several edible lasers and their applications in enhancing food and drug safety. It was the first systematic study of edible laser dyes and microcavities, demonstrating two types of microcavities: whispering gallery mode and Fabry-Perot mode, verifying the excellent performance of edible microlasers as sensors and barcodes. The research team pointed out that in addition to Mad, denne teknologi kan også anvendes til kvalitetssporing og miljøovervågning af forbrugerprodukter såsom kosmetik og landbrugsprodukter . På samme tid kan dette koncept udvides til biomedicinske felter såsom lægemiddelkapsler og medicinske implantater, hvilket giver nye værktøjer til personlig medicin .
Det enorme potentiale inden for laserteknologi inden for fødevaresikkerhed giver innovative løsninger til globale fødevaresikkerhedsspørgsmål . Når teknologien modnes yderligere, kommer en ny æra med "smart mad" - hvert produkt vil have sit eget "optiske ID -kort", der ikke kan smedes med realtids sundhedsovervågningskapacitet .}
