Essbare Mikrolaser erkennen, ob Lebensmittel verdorben sind

Lebensmittel-Scams kommen trotz vieler Schutzmechanismen immer wieder vor: Gefälschter Parmesan oder Champignons „geschönter“ Herkunft sind nur 2 bekannte Beispiele der vergangenen Jahre. Ein Forschungsteam am Jožef Stefan Institute in Ljubljana (Slowenien) hat nun eine Technologie entwickelt, die Lebensmittelkontrolle und Echtheitsüberprüfung erleichtern sollen.

Ihre neuartigen essbaren Mikrolaser können als Sensoren oder Barcodes direkt in Lebensmittel eingebracht werden, ohne Geschmack oder Aussehen zu verändern. Mithilfe eines Puls-Laserstrahls von außen kann man die Informationen daraus anschließend auslesen. Details zum Forschungsprojekt erschienen kürzlich in der Fachzeitschrift Advanced Optical Materials.

Öl, Chlorophyll und Vitamin B2

Die Mikrolaser bestehen aus winzigen Tröpfchen aus Öl oder Wasser-Glycerol-Mischungen, die mit natürlichen optischen Verstärkern versetzt sind. Dazu zählen etwa der grüne Farbstoff in Pflanzen, Chlorophyll, oder Riboflavin, auch als Vitamin B2 bekannt. Der Durchmesser der Tröpfchen beträgt etwa 10 bis 100 Mikrometer, das entspricht der Größe einzelner Pollenkörner.

Die Forscherinnen und Forscher um PhD-Student Abdur Rehman Anwar zeigten 2 Arten von essbaren Lasern: Bei der Variante mit Flüstergalerie-Effekt („whispering gallery mode“, WGM) zirkuliert Licht innerhalb eines Mikrolaser-Tröpfchens. Das Prinzip wurde in der St. Paul’s Cathedral in London entdeckt, wo man Flüstern auf einer Seite des Raumes auf der anderen Seite verstärkt wahrnehmen kann. Analog dazu verhält sich das Licht im Mikrolaser-Tröpfchen. Beim sogenannten Fabry-Pérot-Resonator reflektiert Licht zwischen 2 Oberflächen – in diesem Fall dünne Silberblättchen innerhalb der Tröpfchen – hin und her.

Bakterienwachstum messen

Die Mikrolaser können außerdem verschiedene Eigenschaften von Lebensmittel messen, etwa Zuckerkonzentration, pH-Wert, Bakterienwachstum und Temperatur. Für den pH-Wert-Sensor haben die Forscherinnen und Forscher zwischen die spiegelnden Silberblättchen einzelner Tröpfchen Chitosan eingefügt. Dieses Biopolymer schwillt an, wenn die Säure in der Umgebung ansteigt. Nützlich ist das etwa, um das Verderben von Milch zu beobachten, die im Laufe der Zeit sauer wird.

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Um Bakterien- und Pilzwachstum festzustellen, wurden die Mikrolaser-Tröpfchen zusätzlich mit nährstoffreicher Gelatine versetzt. Sobald diese schimmlig wird, funktioniert der Mikrolaser nicht mehr und kann dadurch das Verderben anzeigen. Die Forscherinnen und Forscher weisen allerdings darauf hin, dass es sich dabei nur um einen Prototyp handelt, der noch nicht reif für die Anwendung in der echten Welt ist.

14 Bit-Barcodes in Öl oder Honig

Das Team hat im Rahmen des Projekts auch mehrere Produkte aus dem Supermarkt mit Mikrolaser-Barcodes versehen: Pfirsich-Kompott und Essiggurkerl in Schraubgläsern, sowie Saft in einer Glasflasche. Zum Auslesen haben sie die Lebensmittel mit einem Pulslaser gescannt. Aus dem zurückgeworfenen Spektrum konnten die gespeicherten Herstellungsinformationen ausgelesen werden.

Die Mikrolaser blieben ein Jahr lang stabil, danach wurden sie zu schwach, um gescannt zu werden. Das System kann durch verschiedene Tröpfchen-Größen 14 Bits an Information codieren. Das heißt, 16.384 einmalige Zahlenkombinationen sind möglich. Darin könnte man Herstellungs- oder Ablaufdatum, Herkunftsland und Hersteller speichern. 

Durch Veränderungen an der Dichte kann man die Mikrolaser so konfigurieren, dass sie entweder an der Oberfläche oder am Boden eines Lebensmittels bleiben. In Öl oder Honig – 2 Lebensmittel, deren Herkunft häufig gefälscht wird – könnte man sie gleichmäßig verteilen. Denkbar ist auch ein Einsatz im Umwelt-Monitoring oder bei Medikamenten.