Ces dernières années, les microcavités et microcolasers biologiques et biomatériaux ont attiré beaucoup d'attention en raison de leur potentiel dans le suivi, l'étiquetage, la détection biologique, le codage à barres cellulaires, la sécurité de l'information et l'anti-pays Matériaux, développement d'un système de microlaser entièrement en substances comestibles, en intégrant avec succès des codes de barre et des capteurs directement dans les aliments, et en créant un nouveau chemin technique pour la surveillance de la sécurité alimentaire . Cette recherche améliore considérablement la traceabilité, la sécurité et la fraîcheur des aliments et les médicaments ainsi que des produits non édibles, et fournit une nouvelle solution technique pour la surveillance environnementale, les produits pharmaceutiques, ainsi que les produits pharmaceutiques et biomédical Applications .
Comment faire des microlasers comestibles?
Les lasers se composent principalement de trois composants: source de pompe, milieu de gain et cavité résonante . Le milieu de gain est un colorant fluorescent qui fournit un gain optique par le mode d'émission stimulé . L'étude a démontré deux types de microcavités: le mode Whispering Gallery (WGM) et le mode Pumpry-perot (FP) Source, comme un laser pulsé . lorsque le gain optique dans la cavité dépasse la perte optique, le système atteint le seuil laser et émet une lumière laser . Les substances comestibles sont utilisées comme des médias et des cavités dans l'étude ., ils sont couramment trouvés dans les aliments et les médicaments et sont utilisés dans les quantités raisonnables et les {7 Les substances utilisées ne sont pas modifiées chimiquement, de sorte que l'apparence visuelle, le goût et la valeur nutritionnelle du produit ne sont pas significativement modifiés, et sa valeur environnementale est maintenue .
L'équipe de recherche a systématiquement examiné les additifs alimentaires approuvés et a finalement identifié plusieurs matériaux clés de gain laser:
- Famille de chlorophylle: L'étude a révélé que le rendement quantique de la chlorophylle-A dans l'huile de tournesol atteignait 0 . 3, ce qui est suffisant pour soutenir l'émission laser . La concentration de chlorophylle contenue naturellement dans l'huile d'olive peut atteindre l'effet laser sans besoin de substances supplémentaires.
- Vitamine B2 (riboflavine): Avec un rendement quantique de 0 . 27, il fonctionne bien en solution aqueuse et fournit un milieu laser idéal pour les produits à base d'eau.
- Carmin: Ce colorant alimentaire traditionnel présente de bonnes performances laser dans un environnement grasse, élargissant sa gamme d'applications .
Conception d'architecture de cavité laser innovante
Le choix des matériaux de cavité résonante dépend de la configuration et de la fonction du microlaser .. Habituellement, ces matériaux doivent être transparents, et dans certaines configurations, ils doivent avoir un indice de réfraction élevé ou réfléchir lorsqu'ils sont utilisés comme miroir, de sorte que diverses huiles, du beurre, de l'agar, de la gelatine, du chitosane et des feuilles d'argent minces peuvent être utilisées pour fabriquer la cavité {{1} L'équipe de recherche a démontré deux architectures innovantes:
Mode galerie chuchotée (WGM): En utilisant l'effet de réflexion interne total optique des gouttelettes d'huile ou des microsphères solides, les WGMS ont généralement des facteurs Q 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 oil droplets in L'eau, mais le seuil de lasage est environ trois fois plus élevé . L'huile d'olive contient naturellement suffisamment de chlorophylle pour être utilisée comme laser sous forme de gouttelettes d'huile sans l'ajout d'autres substances. Des pics WGM ont également été observés dans le spectre sous le seuil de lasage lorsqu'ils sont excités à l'aide d'un laser d'onde continu (CW) ou d'une diode émettrice de lumière (LED).
Fabry-Perot (FP): Une cavité linéaire composée de deux miroirs avec un milieu de gain entre eux . Le laser comestible FP proposé utilise des feuilles d'argent comestibles comme réflecteurs, d'agar ou de gélatine comme support structurel, et l'espace entre les rétroviseurs est rempli de chlorophyll 2 mm dissous dissous dans une solution à la fente ou 5 mm 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 deviation of 0.2 μJ. Le lasage a également été obtenu en utilisant une cavité remplie de solution aqueuse de phosphate de sodium de riboflavine.
Code à barres de précision incliable
Cette étude démontre la capacité de codage d'informations de précision des microlasers comestibles . Les gouttelettes monodisperses préparées par microfluidique ont un coefficient de variation de taille de seulement 0 . 2% -0.4%, qui peut atteindre la maîtrise de la taille de la taille de la nanométrie. Spectroscopie avec une erreur de seulement 1 . 2 nm . L'équipe de recherche a développé un système de codage binaire 14- qui peut théoriquement générer 16 384 codes d'identification uniques . Cela est suffisant pour encoder des informations clés telles que les informations du fabricant, la date de production, la date d'expiration et la date d'origine. En raison des limites physiques du processus de préparation, ce codage est physiquement inclinable, fournissant la protection anti-contrefaçon ultime pour les produits de grande valeur.
Dans la démonstration réelle, l'équipe de recherche a codé avec succès "Journée internationale pour arrêter les déchets alimentaires, 26 avril 2017" en pêches en conserve . L'ensemble du processus de codage ne nécessite que 5 μl d'huile de tournesol, et la contribution énergétique à 500 ml de produit est négligeable (unique Les informations peuvent toujours être parfaitement lues.
Surveillance de détection multifonctionnelle pour la sécurité alimentaire
En plus de la fonction anti-contrefaçon, le système démontre également de puissantes capacités de détection, offrant une méthode de surveillance en temps réel pour la sécurité alimentaire:
Mesure précise de la concentration de sucre: En utilisant la sensibilité de la cavité WGM à l'indice de réfraction du milieu environnant, la mesure de la concentration de sucre avec une précision de 0 .} est obtenue, ce qui est comparable à la performance des réfractomètres commerciaux . Ceci est d'une grande signification pour le contrôle de la qualité des produits tels que le vin et le jus.
Surveillance dynamique de la valeur du pH: Grâce à l'expansion sensible au pH du film de chitosane, la détection de pH avec une précision de 0 . 05 Unités de pH est obtenue . dans l'expérience de détérioration du lait, le changement continu de la valeur du pH a été suivi avec succès, fournissant un nouvel outil pour prédire la durée de conservation des produits de daitement.
Détection de croissance microbienne: Utilisation innovante de la gélatine enrichie en nutriments comme milieu de détection, lorsque la gélatinase produite par les bactéries décompose la structure, le signal laser disparaît, indiquant intuitivement la contamination microbienne . Ce "concept de capteur auto-destructif s'ouvre une nouvelle façon pour la début de la nourriture de la nourriture .}
Indication d'exposition à la température: Les graisses comestibles avec différents points de fusion sont utilisées pour fabriquer des composants sensibles à la température . une fois exposés à une température supérieure à la température de l'ensemble, la structure change de façon permanente, offrant une méthode d'enregistrement irréversible pour la surveillance du transport de la chaîne du froid .
Résumé et perspective
Cette étude a démontré plusieurs lasers comestibles et leurs applications dans l'amélioration de la sécurité alimentaire et des médicaments . C'était la première étude systématique des colorants et microcavités laser comestibles, démontrant deux types de microcavités: le mode de la galerie de chuchotements et le mode Fabry-Perot, vérifiant l'excellente performance des microcolasers élaborés comme des capteurs et des codes-barres . être également appliqué au suivi de qualité et à la surveillance environnementale des produits de consommation tels que les cosmétiques et les produits agricoles ..
L'énorme potentiel de la technologie laser dans le domaine de la sécurité alimentaire offre des solutions innovantes aux problèmes mondiaux de sécurité alimentaire . à mesure que la technologie mûrit davantage, une nouvelle ère de "aliments intelligents" arrivera - chaque produit aura sa propre "carte d'identité optique" qui ne peut pas être forgée avec des capacités de surveillance de la santé en temps réel .}
