近年来，生物和生物材料微腔和微激光器因其在追踪、标记、生物检测、细胞条形码、信息安全和防伪方面的潜力而备受关注。然而至今还没有研究专注于利用可食用物质创造激光器。近日，来自斯洛文尼亚Matja? Humar教授团队在Advanced Optical Materials上发表成果，开发出完全由可食用物质制成的微激光器系统，成功将条形码和传感器直接嵌入食品内部，开创了食品安全监测的全新技术路径。该研究显著增强食品和药品以及非食用产品的可追溯性、安全性和新鲜度监控，为环境监测、制药领域和生物医学应用提供了全新技术方案。

       激光器主要由三个组件组成：泵浦源、增益介质、谐振腔。增益介质是通过受激发射提供光学增益的荧光染料。研究展示了微腔的两种类型：回音壁模式（WGM）和法布里-珀罗（FP）模式。微激光器由外部光源（如脉冲激光器）泵浦。当腔体中的光学增益超过光学损耗时，系统达到激光阈值并发射激光。研究中使用可食用物质作为增益介质和腔体，通常存在于食品和药品中，它们以合理的数量和形式被使用。所使用的物质没有以任何方式进行化学修改，因此，产品的视觉外观、味道和营养价值没有显著改变，而且保持了其环保价值。

图1 可食用微激光器的材料选择、激光类型和应用场景

       研究团队系统性地筛选了获批使用的食品添加剂，最终确定了几种关键的激光增益材料：

       叶绿素家族：研究发现，叶绿素-A在向日葵油中的量子产率达到0.3，足以支持激光发射。其中橄榄油天然含有的叶绿素浓度就能实现激光效应，无需额外添加任何物质。

       维生素B2（核黄素）：量子产率0.27，在水溶液中表现出色，为水基产品提供了理想的激光介质。

       胭脂红：这种传统食用色素在油性环境中展现出良好的激光性能，拓展了应用范围。

       谐振腔体材料的选择取决于微激光器的配置和功能。通常这些材料应该是透明的，在某些配置中，需要具有高折射率或在用作镜子时具有反射性，因此可以使用各种油、黄油、琼脂、明胶、壳聚糖和薄银叶来制造腔体。在激光腔体设计上，研究团队展示了两种创新架构：

图2 可食用WGM激光器的制备过程和激光发射特性

       回音壁模式（WGM）：利用油滴或固体微球的光学全内反射效应，WGM通常具有非常高的Q因子，研究团队使用溶解在向日葵油中的2 mM叶绿素-A或4 mM胭脂红实现了激光。对于叶绿素掺杂的液滴，测量的Q因子超过9000，平均激光阈值为4.5 μJ，标准偏差为0.2 μJ。实现激光所需的最小液滴尺寸约为35 μm。除了纯叶绿素-A，从菠菜中提取的非纯化叶绿素混合物甚至纯橄榄油也可以从水中的油滴发射激光，但激光阈值约高三倍。橄榄油天然含有足够的叶绿素，可以在不添加任何其他物质的情况下用作油滴形式的激光器。在使用连续波（CW）激光器或发光二极管（LED）激发时，在激光阈值以下的光谱中也观察到了WGM峰。

图3 可食用FP腔激光器示意图和激光发射特性

       法布里-珀罗（FP）：由两个镜子组成的线性腔体，其间有增益介质。研究提出的FP可食用激光器中采用可食用银叶作为反射镜，琼脂或明胶作为结构支撑，镜子之间的空间用2 mM叶绿素溶于葵花籽油中或5 mM核黄素磷酸钠溶于水溶液中填充。当用脉冲激光器泵浦填充叶绿素掺杂向日葵油的腔体时，在超过激光阈值能量6 μJ时，发射光谱中出现了尖锐、等间距的峰，表明FP腔体内存在激光，平均激光阈值为5.9 μJ，标准差为0.2 μJ。同样也使用充满核黄素磷酸钠水溶液的腔体实现激光。

       该研究展示了可食用微激光器的精密信息编码能力。通过微流控技术制备的单分散液滴，尺寸变异系数仅为0.2%-0.4%，可以实现纳米级的尺寸控制精度。每个液滴的尺寸可通过激光光谱精确测定，误差仅为1.2 nm。研究团队开发了14位二进制编码系统，理论上可生成16384个独特的标识码。这足以编码制造商信息、生产日期、有效期、原产地等关键信息。由于制备过程的物理限制，这种编码具有物理不可克隆性，为高价值产品提供了终极防伪保护。

       在实际演示中，研究团队成功将“2017年4月26日国际停止食物浪费日”编码到桃子罐头中。整个编码过程仅需5 μL向日葵油，对500 mL产品的能量贡献可忽略不计（仅0.008 kcal/100 mL）。经过一年储存后，编码信息依然可以完美读取。

图4 14位二进制编码系统的生成、嵌入和读取过程

       除了防伪功能，该系统更展现出强大的传感能力，为食品安全提供了实时监测手段：

       糖浓度精密测量：利用WGM腔体对周围介质折射率的敏感性，实现了0.2%精度的糖浓度测量，性能媲美商业折射仪。这对于酒类、果汁等产品的质量控制具有重要意义。

       pH值动态监测：通过壳聚糖薄膜的pH响应性膨胀，实现了0.05 pH单位精度的酸碱度检测。在牛奶变质实验中，成功追踪了数天内pH值的连续变化，为乳制品保质期预测提供了新工具。

图5 可食用微激光器在糖度检测、pH监测中的应用

       微生物生长检测：创新性地利用营养富化明胶作为传感介质，当细菌产生的明胶酶分解结构时，激光信号消失，直观指示微生物污染。这种“自毁式”传感器概念为食品腐败的早期预警开辟了新途径。

       温度暴露指示：采用不同熔点的可食用脂肪制作温度敏感组件，一旦暴露于设定温度以上，结构永久性改变，为冷链运输监控提供了不可逆的记录方式。

图6 可食用微激光器在微生物检测和温度指示中的应用

       该研究展示了几种可食用激光器及其在增强食品和药品安全方面的应用，首次系统研究可食用激光染料和微腔，展示了两种微腔类型：回音壁模式和法布里-珀罗模式，验证可食用微激光器用作传感器和条形码的卓越性能。研究团队指出，除食品外，该技术还可应用于化妆品、农产品等消费品的质量追踪和环境监测。同时这一概念可延伸到药物胶囊、医用植入物等生物医学领域，为个性化医疗提供新工具。

       激光技术在食品安全领域的巨大潜力，为解决全球性食品安全问题提供了创新性解决方案。随着技术的进一步成熟，一个“智能食品”的新时代正在到来——每一件产品都将拥有自己不可伪造的、具有实时健康监测能力的“光学身份证”。

科学编辑 | 陈国豪

参考文献：