Die Nachfrage nach einer zuverlässigen Qualitätskontrolle von Lebensmitteln und Arzneimitteln steigt stark und erhöht den Bedarf an innovativen Nachverfolgungsmethoden. Aktuelle Techniken wie Massenspektrometrie und DNA-Barcoding sind effektiv, aber oft kostspielig und komplex. Jetzt haben Forscher eine bahnbrechende Lösung entwickelt: Mikrolaser, die vollständig aus essbaren Materialien bestehen und eine direkte, manipulationssichere Möglichkeit bieten, die Frische und Authentizität von Produkten zu überwachen.
Das Problem mit bestehenden Tracking-Methoden
Die herkömmliche Qualitätskontrolle basiert auf Laboranalysen, die zeitaufwändig, teuer und für eine Echtzeitüberwachung ungeeignet sind. Obwohl es intelligente Sensoren und Barcodes auf Verpackungen gibt, können diese leicht manipuliert oder entfernt werden. Eine kritische Lücke besteht bei der Nachverfolgung von unverpackten Artikeln, wo eine direkte Integration der Überwachungstechnologie erforderlich ist, ohne das Produkt selbst zu verändern.
Wie essbare Mikrolaser funktionieren
Mikrolaser bestehen aus drei Schlüsselkomponenten: einem Verstärkungsmedium (das Licht verstärkt), einer Pumpquelle (die Energie bereitstellt) und einem optischen Mikrohohlraum (der das Licht zur Verstärkung einschließt). Der Durchbruch liegt darin, all diese Elemente aus vollständig essbaren Substanzen herzustellen.
Forscher des J. Stefan-Instituts und der Universität Ljubljana (Slowenien) sowie der Aristoteles-Universität Thessaloniki (Griechenland) experimentierten mit Farbstoffen wie Chlorophyll (aus Spinat), Riboflavin (Vitamin B2) und Bixin als Verstärkungsmedien. Speiseöle, Butter, Agar, Gelatine und Chitosan dienten als Hohlraummaterialien, während dünne Silber-/Aluminiumblätter (in Süßigkeiten verwendet) als Reflektoren fungierten.
Interessanterweise entdeckte das Team, dass Olivenöltröpfchen aufgrund der hervorragenden lichtverstärkenden Eigenschaften von Chlorophyll und der kugelförmigen Form der Tröpfchen, die einen natürlichen Hohlraum erzeugen, auf natürliche Weise als Laser wirken, wenn sie durch Licht angeregt werden.
Kodierung von Informationen in Lebensmitteln
Das von diesen Mikrokavitäten emittierte Laserspektrum ändert sich je nach Tröpfchengröße und Brechungsindex des umgebenden Mediums. Dies ermöglicht die Informationskodierung: Unterschiedliche Tröpfchengrößen repräsentieren Binärziffern (1 oder 0). Durch die Verwendung von 14 unterschiedlichen Tröpfchengrößen können Forscher über 16.000 einzigartige Kombinationen generieren – genug, um Daten wie Herstellungsdatum, Verfallsdatum oder Herkunftsland direkt in das Lebensmittel selbst zu kodieren.
Beyond Tracking: Produkteigenschaften erkennen
Essbare Mikrolaser dienen nicht nur der Verfolgung; Sie können auch Eigenschaften in Lebensmitteln spüren. Durch die Analyse des emittierten Lichts können sie die Zuckerkonzentration in Getränken, Honig oder Sirup bestimmen, pH-Änderungen erkennen und sogar das Wachstum von Mikroben überwachen. Entscheidend ist, dass diese Überwachung durch versiegelte Verpackungen ohne Probenentnahme erfolgen kann.
Zukünftige Auswirkungen und Skalierbarkeit
Während der aktuelle Aufbau gepulste Laser und Spektrometer verwendet, stellen sich die Forscher praktische Geräte mit LEDs und Spektrometern im Taschenformat für eine schnelle Analyse vor Ort vor. Diese Technologie hat weitreichende Auswirkungen:
- Lebensmittelsicherheit: Echtzeitüberwachung von Verderb und Kontamination.
- Arzneimittel: Gewährleistung der Arzneimittelintegrität und Verhinderung von Fälschungen.
- Kosmetik und Landwirtschaft: Verfolgung der Produktherkunft und -qualität.
- Biomedizin: Potenzial für essbare Biosensoren im Körper.
Die nächste Phase wird sich auf die Erweiterung des Spektrums nachweisbarer Parameter und die Erforschung neuer essbarer Materialien für eine verbesserte Funktionalität konzentrieren.
„Dies stellt einen grundlegenden Wandel in unserer Herangehensweise an die Qualitätskontrolle dar“, sagt Dr. Humar. „Die Möglichkeit, die Sensorik unter Verwendung vollständig essbarer Komponenten direkt in das Produkt selbst zu integrieren, beseitigt viele der Einschränkungen aktueller Methoden.“
Diese Technologie verspricht eine Zukunft, in der die Lebensmittel- und Arzneimittelsicherheit auf mikroskopischer Ebene direkt im Produkt selbst nachweisbar ist.
