Nos últimos anos, microcavidades e microlasers biológicos e biomateriais atraíram muita atenção devido ao seu potencial de rastreamento, rotulagem, detecção biológica, código de barras celulares, segurança da informação e anti-concordância. No entanto, nenhuma pesquisa se concentrou na criação de lasers usando substâncias comestíveis. Recentemente, a equipe do Professor Matjaž Humar da Eslovênia publicou seus resultados em materiais ópticos avançados, desenvolvendo um sistema de microlaser feito inteiramente de substâncias comestíveis, incorporando com sucesso códigos de barras e sensores diretamente nos alimentos e criando um novo caminho técnico para o monitoramento de segurança alimentar. Esta pesquisa aprimora significativamente a rastreabilidade, a segurança e o monitoramento da frescura de alimentos e medicamentos, bem como produtos não comestíveis, e fornece uma nova solução técnica para monitoramento ambiental, campos farmacêuticos e aplicações biomédicas.
Como fazer microlasers comestíveis?
Os lasers consistem principalmente em três componentes: fonte da bomba, meio de ganho e cavidade ressonante. O meio de ganho é um corante fluorescente que fornece ganho óptico através de emissão estimulada. O estudo demonstrou dois tipos de microcavidades: modo de galeria de sussurros (WGM) e modo Fabry-Perot (FP). O microlaser é bombeado por uma fonte de luz externa, como um laser pulsado. Quando o ganho óptico na cavidade excede a perda óptica, o sistema atinge o limiar do laser e emite luz a laser. Substâncias comestíveis são usadas como mídia de ganho e cáries no estudo. Eles são comumente encontrados em alimentos e medicamentos e são usados em quantidades e formas razoáveis. As substâncias utilizadas não são quimicamente modificadas de forma alguma; portanto, a aparência visual, o sabor e o valor nutricional do produto não são significativamente alterados e seu valor ambiental é mantido.
A equipe de pesquisa examinou sistematicamente aditivos alimentares aprovados e finalmente identificou vários materiais importantes de ganho a laser:
- Família de Clorofila: O estudo constatou que o rendimento quântico da clorofila-A no óleo de girassol atingiu 0. 3, o que é suficiente para apoiar a emissão de laser. A concentração de clorofila naturalmente contida no azeite pode atingir o efeito do laser sem a necessidade de substâncias adicionais.
- Vitamina B2 (riboflavina): Com um rendimento quântico de 0. 27, ele tem um bom desempenho em solução aquosa e fornece um meio de laser ideal para produtos à base de água.
- Carmim: Esta coloração alimentar tradicional exibe um bom desempenho a laser em um ambiente oleoso, expandindo sua faixa de aplicativos.
Design inovador da arquitetura de cavidade a laser
A escolha dos materiais de cavidade ressonante depende da configuração e função do microlaser. Geralmente, esses materiais devem ser transparentes e, em algumas configurações, precisam ter um alto índice de refração ou refletir quando usados como espelho, para que vários óleos, manteiga, ágar, gelatina, quitosana e finas folhas prateadas possam ser usadas para fazer a cavidade. Em termos de design de cavidade a laser, a equipe de pesquisa demonstrou duas arquiteturas inovadoras:
Modo da Galeria Sussurrante (WGM): Usando o efeito de reflexão interna total óptica de gotículas de óleo ou microesferas sólidas, os WGMs geralmente têm fatores Q muito altos. A equipe de pesquisa alcançou lasing usando clorofila-A ou 4 mm de 4 mm dissolvido em óleo de girassol. Para gotículas dopadas com clorofila, o fator Q medido excedeu 9 0 00, com um limiar médio de lasing de 4,5 μJ e um desvio padrão de 0,2 μJ. O tamanho mínimo de gota necessário para atingir a lasagem é de cerca de 35 μm. Além da clorofila pura, misturas de clorofila não purificadas extraídas de espinafre e até azeite puro também podem emitir lases de gotículas de óleo na água, mas o limiar de lasagem é cerca de três vezes maior. O azeite naturalmente contém clorofila suficiente para ser usado como laser na forma de gotículas de óleo sem a adição de outras substâncias. Os picos do WGM também foram observados no espectro abaixo do limiar de lasagem quando excitado usando um laser de onda contínua (CW) ou um diodo emissor de luz (LED).
Fabry-PEROT (FP): Uma cavidade linear que consiste em dois espelhos com um meio de ganho entre eles. O laser comestível de FP proposto usa folhas de prata comestíveis como refletores, ágar ou gelatina como suporte estrutural, e o espaço entre os espelhos é preenchido com clorofila de 2 mm dissolvida em óleo de girassol ou 5 mm de fosfato de sódio riboflavina dissolvido em solução aquosa. Quando a cavidade preenchida com óleo de girassol dopada com clorofila foi bombeada com um laser pulsado, picos nítidos e igualmente espaçados apareceram no espectro de emissão acima da energia do limiar de lasagem de 6 μJ, indicando a presença de lasagem na crava de FP, com um lasing médio de 5 °. A lasing também foi alcançada usando uma cavidade cheia de solução aquosa de fosfato de sódio riboflavina.
Código de barras de precisão não inconfortável
Este estudo demonstra a capacidade de codificação de informações de precisão de microlasers comestíveis. As gotículas monodispersas preparadas por microfluídicas têm um coeficiente de variação de tamanho apenas de 0. 2%-0. 4%, que pode atingir a precisão do controle de tamanho em nanoescala. O tamanho de cada gota pode ser medido com precisão por espectroscopia a laser com um erro de apenas 1,2 nm. A equipe de pesquisa desenvolveu um sistema 14- bit codificador de bits que pode teoricamente gerar 16.384 códigos de identificação exclusivos. Isso é suficiente para codificar informações importantes, como informações do fabricante, data de produção, data de validade e origem. Devido às limitações físicas do processo de preparação, essa codificação é fisicamente irregular, fornecendo a melhor proteção anti-controlagem para produtos de alto valor.
Na demonstração real, a equipe de pesquisa codificou com sucesso o "Dia Internacional para interromper o desperdício de alimentos, 26 de abril, 2 {4}} 17" em pêssegos enlatados. Todo o processo de codificação requer apenas 5 μl de óleo de girassol, e a contribuição energética para 500 mL de produto é insignificante (apenas 0,008 kcal/100 ml). Após um ano de armazenamento, as informações codificadas ainda podem ser lidas perfeitamente.
Monitoramento multifuncional de sensor para segurança alimentar
Além da função anti-assalição, o sistema também demonstra recursos poderosos de detecção, fornecendo um método de monitoramento em tempo real para segurança alimentar:
Medição precisa da concentração de açúcar: Usando a sensibilidade da cavidade WGM ao índice de refração do meio circundante, a medição da concentração de açúcar com uma precisão de 0. 2% é alcançada, o que é comparável ao desempenho dos refratômetros comerciais. Isso é de grande importância para o controle de qualidade de produtos como vinho e suco.
Monitoramento dinâmico do valor do pH: Através da expansão responsiva ao pH do filme de quitosana, a detecção de pH com uma precisão de 0. 05 unidades de pH é alcançada. No experimento de deterioração do leite, a mudança contínua do valor do pH ao longo de vários dias foi rastreada com sucesso, fornecendo uma nova ferramenta para prever o prazo de validade dos produtos lácteos.
Detecção de crescimento microbiano: Uso inovador da gelatina enriquecida com nutrientes como meio de detecção, quando a gelatinase produzida por bactérias decompõe a estrutura, o sinal do laser desaparece, indicando intuitivamente a contaminação microbiana. Esse conceito de sensor "autodestrutivo" abre uma nova maneira de alerta precoce da deterioração dos alimentos.
Indicação de exposição à temperatura: Gorduras comestíveis com diferentes pontos de fusão são usadas para criar componentes sensíveis à temperatura. Uma vez exposto a uma temperatura acima da temperatura definida, a estrutura muda permanentemente, fornecendo um método de gravação irreversível para o monitoramento de transporte da cadeia fria.
Resumo e Outlook
Este estudo demonstrou vários lasers comestíveis e suas aplicações no aprimoramento da segurança de alimentos e medicamentos. Foi o primeiro estudo sistemático de corantes e microcavidades comestíveis de laser, demonstrando dois tipos de microcavidades: modo de galeria sussurrando e modo Fabry-Perot, verificando o excelente desempenho de microlasers comestíveis como sensores e códigos de barras. A equipe de pesquisa apontou que, além de alimentos, essa tecnologia também pode ser aplicada ao rastreamento de qualidade e ao monitoramento ambiental de produtos de consumo, como cosméticos e produtos agrícolas. Ao mesmo tempo, esse conceito pode ser estendido a campos biomédicos, como cápsulas de drogas e implantes médicos, fornecendo novas ferramentas para medicina personalizada.
O enorme potencial da tecnologia a laser no campo da segurança alimentar fornece soluções inovadoras para questões globais de segurança alimentar. À medida que a tecnologia amadurece ainda mais, uma nova era de "comida inteligente" está chegando - cada produto terá seu próprio "cartão de identificação óptica" que não pode ser forjado com recursos de monitoramento em saúde em tempo real.
