Съедобные микролазеры: ученые прячут коды безопасности в пище 

В последние годы биологические и биоматериальные микрополости и микролазеры привлекли большое внимание из-за их потенциала в отслеживании, маркировке, биологическом обнаружении, штрихкодировании клеток, информационной безопасности и борьбе с подделками. Однако ни одно исследование не было сосредоточено на создании лазеров с использованием съедобных веществ. Недавно команда профессора Матьяжа Хумара из Словении опубликовала свои результаты в журнале Advanced Optical Materials, разработав микролазерную систему, полностью изготовленную из съедобных веществ, успешно внедрив штрихкоды и датчики непосредственно в пищу и создав новый технический путь для мониторинга безопасности пищевых продуктов. Это исследование значительно улучшает прослеживаемость, безопасность и мониторинг свежести пищевых продуктов и лекарств, а также несъедобных продуктов и предоставляет новое техническое решение для мониторинга окружающей среды, фармацевтических областей и биомедицинских приложений.

Как сделать съедобные микролазеры?

Лазеры в основном состоят из трех компонентов: источника накачки, среды усиления и резонансной полости. Средой усиления является флуоресцентный краситель, который обеспечивает оптическое усиление посредством стимулированного излучения. Исследование продемонстрировало два типа микрополостей: режим шепчущей галереи (WGM) и режим Фабри-Перо (FP). Микролазер накачивается внешним источником света, например, импульсным лазером. Когда оптическое усиление в полости превышает оптические потери, система достигает порога лазера и излучает лазерный свет. В исследовании в качестве усиливающих сред и полостей используются съедобные вещества. Они обычно встречаются в продуктах питания и лекарствах и используются в разумных количествах и формах. Используемые вещества не подвергаются какой-либо химической модификации, поэтому внешний вид, вкус и пищевая ценность продукта существенно не меняются, а его экологическая ценность сохраняется.

Исследовательская группа систематически проверяла одобренные пищевые добавки и, наконец, определила несколько ключевых материалов для усиления лазера:

Семейство хлорофилла: исследование показало, что квантовый выход хлорофилла-А в подсолнечном масле достиг 0,3, что достаточно для поддержки лазерного излучения. Концентрация хлорофилла, естественным образом содержащаяся в оливковом масле, может обеспечить лазерный эффект без необходимости использования каких-либо дополнительных веществ.

Витамин B2 (рибофлавин): с квантовым выходом 0,27 он хорошо работает в водном растворе и является идеальной лазерной средой для продуктов на водной основе.

Кармин: этот традиционный пищевой краситель демонстрирует хорошую производительность лазера в масляной среде, расширяя диапазон его применения.

Инновационная архитектура лазерной полости

Выбор материалов резонансной полости зависит от конфигурации и функции микролазера. Обычно эти материалы должны быть прозрачными, а в некоторых конфигурациях они должны иметь высокий показатель преломления или быть отражающими при использовании в качестве зеркала, поэтому для создания полости можно использовать различные масла, сливочное масло, агар, желатин, хитозан и тонкие серебряные листы. С точки зрения конструкции лазерной полости исследовательская группа продемонстрировала две инновационные архитектуры:

Режим шепчущей галереи (WGM): используя оптический эффект полного внутреннего отражения масляных капель или твердых микросфер, WGM обычно имеют очень высокие факторы добротности. Исследовательская группа добилась генерации лазера с использованием 2 мМ хлорофилла-A или 4 мМ кармина, растворенного в подсолнечном масле. Для капель, легированных хлорофиллом, измеренный фактор добротности превысил 9000, со средним порогом генерации 4,5 мкДж и стандартным отклонением 0,2 мкДж. Минимальный размер капли, необходимый для достижения генерации, составляет около 35 мкм. Помимо чистого хлорофилла-А, неочищенные смеси хлорофилла, извлеченные из шпината, и даже чистое оливковое масло также могут излучать лазерную генерацию из капель масла в воде, но порог лазерной генерации примерно в три раза выше. Оливковое масло естественным образом содержит достаточно хлорофилла, чтобы его можно было использовать в качестве лазера в виде капель масла без добавления каких-либо других веществ. Пики WGM также наблюдались в спектре ниже порога лазерной генерации при возбуждении с использованием лазера с непрерывной волной (CW) или светодиода (LED).

Фабри-Перо (FP): линейный резонатор, состоящий из двух зеркал с усиливающей средой между ними. Предлагаемый пищевой лазер FP использует съедобные серебряные листья в качестве отражателей, агар или желатин в качестве структурной поддержки, а пространство между зеркалами заполнено 2 мМ хлорофиллом, растворенным в подсолнечном масле, или 5 мМ рибофлавина натрия фосфата, растворенного в водном растворе. Когда полость, заполненная подсолнечным маслом с добавлением хлорофилла, накачивалась импульсным лазером, в спектре излучения появлялись острые, равномерно распределенные пики выше пороговой энергии генерации 6 мкДж, что указывает на наличие генерации в полости FP, со средним порогом генерации 5,9 мкДж и стандартным отклонением 0,2 мкДж. Генерация также была достигнута с использованием полости, заполненной водным раствором рибофлавина натрия фосфата.

Неклонируемый прецизионный штрихкод

Это исследование демонстрирует возможность точного кодирования информации пищевыми микролазерами. Монодисперсные капли, полученные с помощью микрофлюидики, имеют коэффициент вариации размера всего 0,2–0,4%, что позволяет достичь точности контроля размера в наномасштабе. Размер каждой капли можно точно измерить с помощью лазерной спектроскопии с погрешностью всего 1,2 нм. Исследовательская группа разработала 14-битную двоичную систему кодирования, которая теоретически может генерировать 16 384 уникальных идентификационных кода. Этого достаточно для кодирования ключевой информации, такой как информация о производителе, дата производства, срок годности и происхождение. Из-за физических ограничений процесса подготовки эта кодировка физически неклонируема, что обеспечивает максимальную защиту от подделок для дорогостоящих продуктов.

В ходе реальной демонстрации исследовательская группа успешно закодировала «Международный день прекращения пищевых отходов, 26 апреля 2017 г.» в консервированных персиках. Для всего процесса кодирования требуется всего 5 мкл подсолнечного масла, а энергетический вклад в 500 мл продукта незначителен (всего 0,008 ккал/100 мл). После года хранения закодированная информация все еще может быть отлично считана.

Многофункциональный сенсорный мониторинг безопасности пищевых продуктов

В дополнение к функции защиты от подделок система также демонстрирует мощные сенсорные возможности, предоставляя метод мониторинга безопасности пищевых продуктов в реальном времени:

Точное измерение концентрации сахара: используя чувствительность полости WGM к показателю преломления окружающей среды, достигается измерение концентрации сахара с точностью 0,2%, что сопоставимо с производительностью коммерческих рефрактометров. Это имеет большое значение для контроля качества таких продуктов, как вино и соки.

Динамический мониторинг значения pH: благодаря чувствительному к pH расширению хитозановой пленки достигается определение pH с точностью 0,05 единиц pH. В эксперименте по порче молока было успешно отслежено непрерывное изменение значения pH в течение нескольких дней, что предоставило новый инструмент для прогнозирования срока годности молочных продуктов.

Обнаружение роста микроорганизмов: инновационное использование желатина, обогащенного питательными веществами, в качестве сенсорной среды, когда желатиназа, вырабатываемая бактериями, разлагает структуру, лазерный сигнал исчезает, что интуитивно указывает на микробное загрязнение. Эта концепция «саморазрушающегося» датчика открывает новый способ раннего предупреждения о порче пищевых продуктов.

Индикация воздействия температуры: пищевые жиры с различными точками плавления используются для изготовления термочувствительных компонентов. После воздействия температуры выше установленной температуры структура изменяется навсегда, обеспечивая необратимый метод записи для мониторинга транспортировки в холодильной цепи.

Резюме и перспективы

Это исследование продемонстрировало несколько съедобных лазеров и их применение для повышения безопасности пищевых продуктов и лекарств. Это было первое систематическое исследование пищевых лазерных красителей и микрополостей, демонстрирующее два типа микрополостей: режим шепчущей галереи и режим Фабри-Перо, подтверждающее превосходную производительность пищевых микролазеров в качестве датчиков и штрихкодов. Исследовательская группа отметила, что помимо продуктов питания эта технология может также применяться для отслеживания качества и экологического мониторинга потребительских товаров, таких как косметика и сельскохозяйственная продукция. В то же время эта концепция может быть распространена на биомедицинские области, такие как лекарственные капсулы и медицинские имплантаты, предоставляя новые инструменты для персонализированной медицины.

Огромный потенциал лазерной технологии в области безопасности пищевых продуктов обеспечивает инновационные решения глобальных проблем безопасности пищевых продуктов. По мере дальнейшего развития технологии наступает новая эра «умной еды» — каждый продукт будет иметь свою собственную «оптическую идентификационную карту», ​​которую нельзя будет подделать с помощью возможностей мониторинга здоровья в реальном времени.