Viimastel aastatel on bioloogilised ja biomaterjalid mikrokiirused ja mikrolaalid pälvinud palju tähelepanu nende potentsiaali tõttu jälgimisel, märgistamisel, bioloogilisel tuvastamisel, rakkude vöötkoodimisel, infoturbe ja automaatvastase võitluse tõttu. Kuid ükski uurimistöö pole keskendunud söödavate ainete abil laserite loomisele. Hiljuti avaldas professor Matjaž Humari meeskond Sloveeniast oma tulemusi täiustatud optiliste materjalidega, töötades välja täielikult söödavatest ainetest valmistatud mikroliisusüsteemi, manustades edukalt vöötkoodid ja andurid otse toidusse ning luues uue tehnilise tee toiduohutuse jälgimiseks. See uurimus suurendab märkimisväärselt toidu ja ravimite ning mittedigeldatavate toodete jälgitavust, ohutuse ja värskuse jälgimist ning pakub uut tehnilist lahendust keskkonnaseireks, farmaatsiaväljadeks ja biomeditsiinilisteks rakendusteks.
Kuidas valmistada söödavaid mikrolaasereid?
Laserid koosnevad peamiselt kolmest komponendist: pumba allikas, võimenduse keskmine ja resonantsõõnsus. Võimendi keskkond on fluorestsentsvärv, mis tagab optilise võimenduse stimuleeritud emissiooni kaudu. Uuring näitas kahte tüüpi mikrokaladusi: galeriirežiim (WGM) ja Fabry-POT (FP) režiim. Mikrolaase pumbatakse välise valgusallikaga, näiteks impulsslaseriga. Kui õõnsuse optiline võimendus ületab optilise kadu, jõuab süsteem laseri läveni ja kiirgab laservalgust. Söödavaid aineid kasutatakse uuringu võimenduse ja õõnsustena. Neid leidub tavaliselt toidus ja ravimites ning neid kasutatakse mõistlikes kogustes ja vormides. Kasutatavaid aineid ei ole mingil moel keemiliselt modifitseeritud, seega ei muutu toote visuaalne välimus, maitse ja toiteväärtus märkimisväärselt ja selle keskkonnaväärtus säilitatakse.
Uurimisrühm sõelus süstemaatiliselt heakskiidetud toidulisandid ja tuvastas lõpuks mitu peamist lasermaterjali:
- Klorofülli perekond: Uuringus leiti, et klorofüll-A kvantsaak päevalilleõlis jõudis 0. 3, mis on piisav laseri emissiooni toetamiseks. Oliiviõlis sisalduv klorofülli kontsentratsioon võib laseriefekti saavutada ilma täiendavate ainete vajaduseta.
- B2 -vitamiin (riboflaviin): Kui kvantsaak 0 27, töötab see vesilahuses hästi ja tagab ideaalse laserkeskkonna veepõhistele toodetele.
- Karmiin: Sellel traditsioonilisel toiduvärvimisel on hea laser -jõudlus õlises keskkonnas, laiendades selle rakendusvahemikku.
Uuenduslik laserõõnsuse arhitektuuri kujundus
Resonantsete õõnsuse materjalide valik sõltub mikrolaasi konfiguratsioonist ja funktsioonist. Tavaliselt peaksid need materjalid olema läbipaistvad ja mõnes konfiguratsioonis peavad neil olema kõrge murdumisnäitaja või peegeldamisel peegeldavad seda, nii et õõnsuse loomiseks saab kasutada erinevaid õli, või, agari, želatiini, kitosaani ja õhukesi hõbedaseid lehti. Laserõõnsuse kujundamise osas demonstreeris uurimisrühm kahte uuenduslikku arhitektuuri:
Whispering Galerii režiim (WGM): Kasutades õlipiiskade või tahkete mikrosfääride optilist kogu sisemist peegeldust, on WGM -idel tavaliselt väga kõrged Q -tegurid. Uurimisrühm saavutas laskumise 2 mM klorofüll-A või 4 mM karmiini, mis oli lahustatud päevalilleõlis. Klorofülli-legeeritud tilkade korral ületas mõõdetud Q-tegur 9 0 00, keskmise lasi lävega 4,5 μJ ja standardhälve 0,2 μJ. Lasingu saavutamiseks vajalik minimaalne tilga suurus on umbes 35 μm. Lisaks puhtale klorofülli-A-le võivad spinatist ekstraheeritud ja isegi puhta oliiviõliga ekstraheeritud puhastamata klorofülli segud eraldada ka vees olevate õlipiiskade sidumist, kuid lasinglävi on umbes kolm korda suurem. Oliiviõli sisaldab looduslikult piisavalt klorofülli, et seda kasutada laserina õli tilkade kujul ilma muid aineid lisamata. Pideva laine (CW) laseriga või valgust kiirgava dioodi (LED) abil on täheldatud ka WGM -i piike WGM -i piike lasing läve all olevas spektris.
Fabry-PORT (FP): Lineaarne õõnsus, mis koosneb kahest peeglist, mille vahel on võimendusööde. Kavandatud FP söödav laser kasutab söödavaid hõbelehti peegeldajatena, agari või želatiinina struktuurse tugina ning peeglite vaheline ruum on täidetud 2 mM klorofülliga, mis on lahustatud päevalilleõlis või 5 mM riboflaviini naatriumfosfaat, mis on lahustunud vesikonnas. Kui klorofülli legeeritud päevalilleõliga täidetud õõnsus pumbati impulsslaseriga, ilmnes järskude, võrdselt paigutatud piikidega emissioonispektris 6 μJ lasi läviväärtuse kohal olevas emissioonispektris, mis näitab lasimise olemasolu FP-õõnsuses, keskmise lasing-lävega 5,9 μJ ja 6}. Lasing saavutati ka riboflaviini naatriumfosfaadi vesilahusega täidetud õõnsuse abil.
Usaldumatu täppis vöötkood
See uuring näitab söödavate mikrolaaltrite täppisteabe kodeerimise võimalust. Mikrofluidics valmistatud monodisperse tilgad on suuruse variatsiooni koefitsient ainult 0. 2%-0. 4%, mis võib saavutada nanoskaala suuruse kontrolli täpsuse. Iga tilga suurust saab täpselt mõõta laserspektroskoopia abil veaga ainult 1,2 nm. Uurimisrühm töötas välja 14- bitise binaarse kodeerimissüsteemi, mis võib teoreetiliselt genereerida 16 384 ainulaadset identifitseerimiskoodi. Sellest piisab põhiteabe, näiteks tootja teabe, tootmise kuupäeva, aegumiskuupäeva ja päritolu kodeerimiseks. Ettevalmistusprotsessi füüsiliste piirangute tõttu on see kodeerimine füüsiliselt lubamatu, pakkudes kõrge väärtusega toodete jaoks ülimat käsimüügivastast kaitset.
Tegelikul meeleavaldusel kodeeris uurimisrühm edukalt "rahvusvahelist päeva toidujäätmete peatamiseks, 26. aprill 2 0 17" konserveeritud virsikuteks. Kogu kodeerimisprotsess nõuab ainult 5 μl päevalilleõli ja energia panus 500 ml tootesse on tühine (ainult 0,008 kcal/100 ml). Pärast üheaastast ladustamist saab kodeeritud teavet siiski suurepäraselt lugeda.
Multifunktsionaalne sensorite jälgimine toiduohutuse tagamiseks
Lisaks käsimüügivastasele funktsioonile demonstreerib süsteem ka võimsaid sensorivõimalusi, pakkudes reaalajas jälgimismeetodit toiduohutuse jaoks:
Suhkru kontsentratsiooni täpne mõõtmine: Kasutades WGM -i õõnsuse tundlikkust ümbritseva söötme murdumisnäitaja suhtes, saavutatakse suhkru kontsentratsiooni mõõtmine täpsusega 0. 2% saavutatakse 2%, mis on võrreldav kaubanduslike refraktomeetrite jõudlusega. See on suur tähtsus selliste toodete kvaliteedikontrolli jaoks nagu vein ja mahl.
PH väärtuse dünaamiline jälgimine: Kitosaanifilmi pH-reageeriva laienemise kaudu saavutatakse pH tuvastamine täpsusega 0. 05 pH ühikud. Piima riknemise katses jälgiti edukalt pH väärtuse pidevat muutust, pakkudes uut tööriista piimatoodete säilivusaja ennustamiseks.
Mikroobide kasvu tuvastamine: Toitainetega rikastatud želatiini uuenduslik kasutamine sensoorse söötmena, kui bakterite toodetud želatinaas lagundab struktuuri, kaob lasersignaal, osutades intuitiivselt mikroobide saastumisele. See "enesehävituslik" anduri kontseptsioon avab uue viisi toidu riknemise varajaseks hoiatamiseks.
Temperatuuri kokkupuute näidustus: Temperatuuri tundlike komponentide valmistamiseks kasutatakse erinevate sulamistemperatuuridega söödavaid rasvu. Pärast temperatuuriga kokku puutunud temperatuuri muutub struktuur püsivalt, pakkudes külma ahela transpordi jälgimiseks pöördumatu salvestusmeetodi.
Kokkuvõte ja väljavaade
See uuring näitas mitmeid söödavaid lasereid ja nende rakendusi toidu ja ravimite ohutuse suurendamiseks. See oli esimene söödavate laservärvide ja mikrokiiruste süstemaatiline uuring, mis näitab kahte tüüpi mikrokiirusi: sosistav galeriirežiim ja Fabry-PORT režiim, kontrollides söödavate mikrolaaserite suurepäraseid jõudlust andurite ja vöötkoodidena. Uurimisrühm juhtis tähelepanu sellele, et lisaks toidule saab seda tehnoloogiat rakendada ka tarbekaupade, näiteks kosmeetika ja põllumajandustoodete kvaliteedi jälgimiseks ja keskkonnaseireks. Samal ajal saab seda kontseptsiooni laiendada biomeditsiiniliste valdkondade, näiteks ravimite kapslite ja meditsiiniliste implantaatide jaoks, pakkudes uusi vahendeid isikupäraseks meditsiiniks.
Lasertehnoloogia tohutu potentsiaal toiduohutuse valdkonnas pakub uuenduslikke lahendusi globaalsetele toiduohutuse probleemidele. Kuna tehnoloogia küpseb veelgi, on tulemas uus nutika toidu ajastu - igal tootel on oma "optiline ID -kaart", mida ei saa luua reaalajas terviseseire võimalustega.
