Dalam beberapa tahun terakhir, mikrokavitas biologis dan biomaterial dan mikrolaser telah menarik banyak perhatian karena potensinya dalam melacak, pelabelan, deteksi biologis, barcode sel, keamanan informasi dan anti-pembengkakan. Namun, tidak ada penelitian yang berfokus pada pembuatan laser menggunakan zat yang dapat dimakan. Baru -baru ini, tim Profesor Matjaž Humar dari Slovenia menerbitkan hasil mereka dalam bahan optik canggih, mengembangkan sistem mikrolaser yang seluruhnya terbuat dari zat yang dapat dimakan, berhasil menanamkan barcode dan sensor langsung ke dalam makanan, dan menciptakan jalur teknis baru untuk pemantauan keamanan makanan. Penelitian ini secara signifikan meningkatkan keterlacakan, keselamatan, dan pemantauan kesegaran makanan dan obat-obatan serta produk yang tidak dapat dimakan, dan memberikan solusi teknis baru untuk pemantauan lingkungan, bidang farmasi dan aplikasi biomedis.
Bagaimana cara membuat mikrolaser yang dapat dimakan?
Laser terutama terdiri dari tiga komponen: sumber pompa, gain medium, dan rongga resonansi. Media penguatan adalah pewarna fluoresen yang memberikan gain optik melalui emisi yang distimulasi. Studi ini menunjukkan dua jenis microcavities: Mode Whispering Gallery (WGM) dan mode Fabry-Perot (FP). Mikrolaser dipompa oleh sumber cahaya eksternal, seperti laser berdenyut. Ketika keuntungan optik di rongga melebihi kehilangan optik, sistem mencapai ambang laser dan memancarkan cahaya laser. Zat yang dapat dimakan digunakan sebagai gain media dan rongga dalam penelitian ini. Mereka umumnya ditemukan dalam makanan dan kedokteran dan digunakan dalam jumlah dan bentuk yang wajar. Zat yang digunakan tidak dimodifikasi secara kimia dengan cara apa pun, sehingga penampilan visual, rasa dan nilai gizi produk tidak berubah secara signifikan, dan nilai lingkungannya dipertahankan.
Tim peneliti secara sistematis menyaring aditif makanan yang disetujui dan akhirnya mengidentifikasi beberapa bahan gain laser utama:
- Keluarga klorofil: Studi ini menemukan bahwa hasil kuantum klorofil-A dalam minyak bunga matahari tercapai 0. 3, yang cukup untuk mendukung emisi laser. Konsentrasi klorofil yang terkandung secara alami dalam minyak zaitun dapat mencapai efek laser tanpa perlu zat tambahan.
- Vitamin B2 (riboflavin): Dengan hasil kuantum 0. 27, ia berkinerja baik dalam solusi air dan menyediakan media laser yang ideal untuk produk berbasis air.
- Merah tua: Pewarna makanan tradisional ini menunjukkan kinerja laser yang baik di lingkungan yang berminyak, memperluas jangkauan aplikasinya.
Desain Arsitektur Rongga Laser Inovatif
Pilihan bahan rongga resonansi tergantung pada konfigurasi dan fungsi mikrolaser. Biasanya bahan -bahan ini harus transparan, dan dalam beberapa konfigurasi, mereka perlu memiliki indeks bias tinggi atau reflektif bila digunakan sebagai cermin, sehingga berbagai minyak, mentega, agar, gelatin, kitosan dan daun perak tipis dapat digunakan untuk membuat rongga. Dalam hal desain rongga laser, tim peneliti menunjukkan dua arsitektur inovatif:
Mode Whispering Gallery (WGM): Menggunakan efek refleksi internal total optik dari tetesan minyak atau mikrosfer padat, WGM biasanya memiliki faktor Q yang sangat tinggi. Tim peneliti mencapai penguatan menggunakan 2 mM carmine 2 mM atau 4 mm yang dilarutkan dalam minyak bunga matahari. Untuk tetesan yang didoping klorofil, faktor q yang diukur melebihi 9 0 00, dengan ambang penguasa rata-rata 4,5 μJ dan standar deviasi 0,2 μJ. Ukuran tetesan minimum yang diperlukan untuk mencapai penguatan adalah sekitar 35 μm. Selain klorofil murni-A, campuran klorofil yang tidak dimurnikan yang diekstraksi dari bayam dan bahkan minyak zaitun murni juga dapat memancarkan pengaruh dari tetesan minyak dalam air, tetapi ambang pengumpulan sekitar tiga kali lebih tinggi. Minyak zaitun secara alami mengandung cukup klorofil untuk digunakan sebagai laser dalam bentuk tetesan minyak tanpa penambahan zat lain. Puncak WGM juga telah diamati dalam spektrum di bawah ambang penguat saat bersemangat menggunakan laser gelombang kontinu (CW) atau dioda pemancar cahaya (LED).
Fabry-Perot (FP): Rongga linier yang terdiri dari dua cermin dengan media penguatan di antara mereka. Laser yang dapat dimakan FP yang diusulkan menggunakan daun perak yang dapat dimakan sebagai reflektor, agar atau gelatin sebagai penyangga struktural, dan ruang di antara cermin diisi dengan 2 mM klorofil yang dilarutkan dalam minyak bunga matahari atau 5 mM natrium fosfat fosfat yang dilarutkan dalam larutan berair. Ketika rongga yang diisi dengan minyak bunga matahari yang didoping klorofil dipompa dengan laser berdenyut, puncak yang tajam, spasi yang sama-sama muncul dalam spektrum emisi di atas ambang batas pengaruh 6 μJ, menunjukkan adanya deviasi fp, dengan ambang lasing rata-rata. Lasing juga dicapai dengan menggunakan rongga yang diisi dengan larutan berair riboflavin natrium fosfat.
Barcode presisi yang tidak dapat dikloning
Studi ini menunjukkan kemampuan pengkodean informasi presisi dari mikrolaser yang dapat dimakan. Tetesan monodisperse yang disiapkan oleh microfluidics memiliki koefisien variasi ukuran hanya 0. 2%-0. 4%, yang dapat mencapai akurasi kontrol ukuran skala nano. Ukuran setiap tetesan dapat diukur secara akurat dengan spektroskopi laser dengan kesalahan hanya 1,2 nm. Tim peneliti mengembangkan sistem pengkodean biner 14- bit yang secara teoritis dapat menghasilkan 16.384 kode identifikasi unik. Ini cukup untuk menyandikan informasi utama seperti informasi produsen, tanggal produksi, tanggal kedaluwarsa, dan asal. Karena keterbatasan fisik dari proses persiapan, pengkodean ini secara fisik tidak dapat dikloning, memberikan perlindungan anti-counterfeiting tertinggi untuk produk bernilai tinggi.
Dalam demonstrasi yang sebenarnya, tim peneliti berhasil mengkodekan "Hari Internasional untuk Menghentikan Limbah Makanan, 26 April, 2 0 17" menjadi buah persik kalengan. Seluruh proses pengkodean hanya membutuhkan 5 μl minyak bunga matahari, dan kontribusi energi untuk 500 mL produk dapat diabaikan (hanya 0,008 kkal\/100 mL). Setelah satu tahun penyimpanan, informasi yang dikodekan masih dapat dibaca dengan sempurna.
Pemantauan penginderaan multifungsi untuk keamanan pangan
Selain fungsi anti-counterfeiting, sistem ini juga menunjukkan kemampuan penginderaan yang kuat, memberikan metode pemantauan waktu nyata untuk keamanan pangan:
Pengukuran konsentrasi gula yang tepat: Menggunakan sensitivitas rongga WGM terhadap indeks bias media sekitarnya, pengukuran konsentrasi gula dengan akurasi 0. 2% dicapai, yang sebanding dengan kinerja refractometer komersial. Ini sangat penting untuk kontrol kualitas produk seperti anggur dan jus.
Pemantauan dinamis nilai pH: Melalui ekspansi pH-responsif film kitosan, deteksi pH dengan akurasi 0. 05 unit pH tercapai. Dalam percobaan pembusukan susu, perubahan nilai pH yang berkelanjutan selama beberapa hari berhasil dilacak, menyediakan alat baru untuk memprediksi umur simpan produk susu.
Deteksi pertumbuhan mikroba: Penggunaan inovatif gelatin yang diperkaya nutrisi sebagai media penginderaan, ketika gelatinase yang diproduksi oleh bakteri menguraikan struktur, sinyal laser menghilang, secara intuitif menunjukkan kontaminasi mikroba. Konsep sensor "merusak diri sendiri" ini membuka cara baru untuk peringatan dini pembusukan makanan.
Indikasi paparan suhu: Lemak yang dapat dimakan dengan titik leleh yang berbeda digunakan untuk membuat komponen yang sensitif terhadap suhu. Setelah terkena suhu di atas suhu yang ditetapkan, struktur berubah secara permanen, memberikan metode perekaman yang tidak dapat diubah untuk pemantauan transportasi rantai dingin.
Ringkasan dan Outlook
Studi ini menunjukkan beberapa laser yang dapat dimakan dan aplikasi mereka dalam meningkatkan keamanan makanan dan obat. Itu adalah studi sistematis pertama dari pewarna laser dan mikrokavitas yang dapat dimakan, menunjukkan dua jenis mikrokavitas: mode galeri Whispering dan mode Fabry-Perot, memverifikasi kinerja mikrolaser yang dapat dimakan sebagai sensor dan barcode. Tim peneliti menunjukkan bahwa selain makanan, teknologi ini juga dapat diterapkan pada pelacakan kualitas dan pemantauan lingkungan produk konsumen seperti kosmetik dan produk pertanian. Pada saat yang sama, konsep ini dapat diperluas ke bidang biomedis seperti kapsul obat dan implan medis, menyediakan alat baru untuk pengobatan yang dipersonalisasi.
Potensi besar teknologi laser di bidang keamanan pangan memberikan solusi inovatif untuk masalah keamanan pangan global. Ketika teknologi semakin matang, era baru "makanan pintar" akan datang - setiap produk akan memiliki "kartu ID optik" sendiri yang tidak dapat dipalsukan dengan kemampuan pemantauan kesehatan waktu nyata.
