Прозрачное куриное филе благодаря Doritos: как работает оптический трюк

1 час назад Прокомментировать Просмотры: 9

Моя блестящая подруга Адаоби Адибе поделилась со мной научной статьёй о том, как сделать биологические ткани прозрачными. В исследовании «Achieving optical transparency in live animals with absorbing molecules» авторы добиваются такого эффекта, в частности на куриной грудке, погружая её в раствор тартразина. Это насыщенный жёлто-оранжевый пищевой краситель, который добавляют в чипсы Doritos.

В планах у нас эксперимент ещё более дерзкий. Но для разминки я попробовал воспроизвести отдельные этапы этого протокола и вымочил куриную грудку в растворе того самого тартразина. Частичной прозрачности я добился, однако до результатов авторов мне далеко. На фото ниже — ломтик куриной грудки толщиной около 2 мм, который я отрезал от пятимиллиметрового слайса, пролежавшего в растворе тартразина (~0,19 М) 12 часов при комнатной температуре. Снимок сделан при свете настольной лампы, и сквозь ткань отчётливо проступают линии сетки. На ощупь курица осталась прежней, но внешне стала напоминать мармеладных мишек.

Авторы статьи использовали раствор концентрацией 0,62 М, нагретый до 40 °C, и механический шейкер. Безопасно воспроизвести такие условия я не сумел, да и подходящего оборудования у меня не нашлось, поэтому пришлось адаптировать протокол под свои возможности.

Следующий снимок сделан под другим углом. Слева — образец из раствора тартразина, справа — контрольный, вымоченный в воде. Он слегка пожелтел: работа с красителем очень пачкает, и на образец случайно попала красящая пыль.

В верхней части образец частично прозрачен, и под ним просматривается сетка с ячейками 5 × 5 мм. Как я уже говорил, он стал похож на мармеладные конфеты. Так и тянет его попробовать, если бы не риск заработать сальмонеллёз.

Чтобы не нарваться на судебный иск от Doritos за нарушение авторских прав, предлагаю вам шуточную инструкцию о том, где достать тартразин.

В чём механизм?

Согласно современной модели, поглощающие свойства тартразина меняют показатель преломления воды. Сближая его с показателем белково-липидной среды, мы делаем объект прозрачнее. Подробнее я объясню это чуть позже.

Протокол

Я использовал тартразин производства APC Pure. Содержание красителя в нём превышало 80%, поэтому точная молярность приготовленных растворов остаётся несколько неопределённой. Я составил два раствора разной концентрации, а в роли контроля выступила обычная вода:

тартразин: 0 г, водопроводная вода: 20 г, массовая доля: 0%, моляльность (моль/кг воды): 0, тартразин (ммоль): 0, молярность (прибл.): 0 М (контроль);
тартразин: 2 г, водопроводная вода: 18 г, массовая доля: 10%, моляльность (моль/кг воды): 0,21, тартразин (ммоль): 3,7, молярность (прибл.): ~0,19 M;
тартразин: 6 г, водопроводная вода: 14 г, массовая доля: 30%, моляльность (моль/кг воды): 0,80, тартразин (ммоль): 11,2, молярность (прибл.): ~0,56 M.

Молярная масса тартразина — 534,4 г/моль. Количество вещества я рассчитывал по номинальной массе, но раз в порошке только около 80% красителя, реальные значения могут быть примерно на 15% ниже. Молярность вычислялась из расчёта на конечный объём раствора около 20 мл.

Ниже можно увидеть упаковку тартразина и список его характеристик. Запаха у него нет, а FDA считает эту добавку безопасной для здоровья, поэтому на этом этапе я обошёлся без перчаток.

Продукт: Tartrazine E102 FG, C.I. 19140
Содержание красителя: >80%
Молекулярная формула: C16H9N4Na3O9S2
Молекулярная масса: 534,37 г/моль
λmax (в воде): 425 нм
Нерастворимые в воде вещества: <0,20%
Сопутствующие красители: <1,00%
Тяжёлые металлы (в пересчёте на свинец): <40 мг/кг

Для приготовления раствора я отмерил нужные количества на ювелирных весах и долил воды до массы, указанной в таблице.

Краситель я перемешивал в воде стеклянной палочкой при комнатной температуре, пока не растворились все заметные комочки.

На фото ниже — три раствора разной концентрации: слева самый насыщенный, в центре средний, справа контрольная вода.

В качестве материала я выбрал куриное филе из магазина Tesco. Сначала я отрезал слайс толщиной 5 мм, а из него — три кусочка примерно по 15 мм.

Затем я поместил каждый кусочек в отдельную ёмкость со своим раствором.

Первые результаты: 6 часов в растворе

Для начала скажу, что опыт с самым концентрированным раствором не удался: тартразин, судя по всему, кристаллизовался. Ниже видно, как это выглядело: на поверхности образовалась сплошная корка.

В растворе средней концентрации (~0,19 M) кусочек грудки приобрёл желеобразный вид, но прозрачным не стал. Контрольный образец остался совершенно непрозрачным.

Все эти образцы я в итоге выбросил и перешёл к следующей попытке.

Вторая попытка: 12 часов в растворе

На этот раз я действовал по той же схеме, также при комнатной температуре, но увеличил время выдержки до 12 часов. Учитывая неудачу с высокой концентрацией (~0,56 М), я оставил только средний и контрольный растворы. Поскольку образцам предстояло полдня провести при комнатной температуре, из соображений пищевой безопасности я разместил их в пробирках и дополнительно накрыл.

Результаты

На камеру это передаётся плохо, но образец из раствора средней концентрации стал заметно прозрачнее контрольного.

Для более точной проверки я положил его под настольную лампу.

После этого я нарезал образцы ломтиками толщиной около 2 мм. Орудовать такими мелкими скользкими кусочками было весьма неудобно. Вот как эти ломтики выглядели рядом друг с другом.

Зачем вообще делать курицу прозрачной?

Эту технику уже используют, чтобы упростить прижизненный имиджинг — оптическое наблюдение за процессами на уровне органов и тканей.

В моей области успешное освоение такого метода расширило бы возможности независимых исследователей, работающих в домашних условиях. Изучать внутреннее строение организмов стало бы гораздо проще, а прозрачные ткани позволили бы получать более качественные снимки для детального анализа их структуры.

Одно из направлений моей работы — эффективное наблюдение при минимальных затратах. В прошлой публикации я рассказывал, как написал программу для отслеживания броуновских частиц под микроскопом. Ещё я размышляю об измерении концентрации углекислого газа по давлению: при достаточной точности такой способ обойдётся значительно дешевле. Поэтому я невероятно рад возможности опробовать необычные и яркие методики, которые упрощают изучение разных структур!

Как краситель делает биологическую ткань прозрачной?

Дальше вас ждёт подробный экскурс в тему оптической прозрачности.

Непрозрачность материала определяют два его свойства. Во-первых, он может поглощать свет и тем самым не пропускать его. Во-вторых, из-за разницы показателей преломления он способен свет рассеивать.

Первая причина непрозрачности: поглощение

Прежде всего, проходя сквозь объект, световые лучи могут поглощаться его веществом. Поглощённый свет не доходит до наших глаз, и мы не видим того, что находится за объектом. Кроме того, свет состоит из волн разной длины, а то, какие именно длины волн поглощает материал, образует его спектр. Чтобы оценить этот спектр, можно приближённо уподобить поведение молекул поведению электрона в потенциальной яме. Уравнение Шрёдингера показывает, что у такой системы возможны лишь дискретные значения энергии, и позволяет их найти. Разности между этими уровнями энергии как раз и определяют длины волн, которые материал в итоге поглощает.

В действительности объекты состоят из множества разных веществ, поэтому поглощают волны разной длины.

Вторая причина непрозрачности: преломление

Вторая причина менее очевидна, но куда любопытнее. Показатель преломления вещества говорит о том, с какой скоростью в нём распространяется свет. При переходе из одной среды в другую с иной преломляющей способностью луч слегка отклоняется. Если материал состоит из множества компонентов с разными показателями преломления, то на их границах лучи постоянно меняют направление, начинают хаотично блуждать и рассеиваются.

Типичный пример такого материала — биологические ткани, в которых есть волокна, клетки, белки и другие компоненты. У каждого из них свой показатель преломления. Когда одно вещество с определённым показателем оказывается внутри другого с иным, возникает рассеяние. В итоге свет, проходящий через объект, искажается. Весь этот процесс схематично показан ниже.

Биологическую ткань можно представить как сложную смесь: водную основу с вкраплениями липидов и белков. Показатели преломления у всех этих компонентов различаются.

Как же тогда сделать объект прозрачным?

Для этого нужно целенаправленно воздействовать на обе названные причины непрозрачности. Первый путь — изменить спектр поглощения материала так, чтобы сузить диапазон поглощаемых им длин волн.

Второй вариант, о котором и пойдёт речь дальше, — подогнать показатель преломления воды под показатели остальных внутренних структур. Разберём этот принцип на примере биологических тканей. С помощью красителя мы меняем показатель преломления воды и приближаем его к показателю белков и липидов, который изначально немного выше.

Если удастся сделать это, не затронув поглощающих свойств материала, он должен стать прозрачным.