Kip transparant maken met Dorito-poeder
De optische eigenschappen van biologische weefsels aanpassen met tartrazine
We zijn van plan om binnenkort een ambitieuzere replicatie uit te voeren. Als warming-up heb ik geprobeerd delen van dit protocol te reproduceren door kipfilet te weken in een tartrazine-oplossing. Ik bereikte gedeeltelijke transparantie, maar niet in de mate die in het artikel wordt beschreven.
Het monster bestond uit een stuk rauwe kipfilet van ongeveer 2 mm dik (gesneden uit een plak van 5 mm), dat gedurende 6 uur bij kamertemperatuur is geweekt in een tartrazine-oplossing van ongeveer 0,19 M. Wanneer ik dit fotografeerde met een bureaulamp, waren de rasterlijnen eronder zichtbaar. Hoewel de textuur bij aanraking hetzelfde bleef, kreeg de kip een visuele kwaliteit die lijkt op die van gummy bears.
Het originele artikel maakte gebruik van 0,62 M, een temperatuur van 40 °C en een machine-shaker, maar ik kon geen manier vinden om dit veilig te doen, noch beschikte ik over de benodigde apparatuur. Daarom heb ik het protocol aangepast.
In een vergelijking tussen het monster en een controlemonster (geweekt in water) is in het bovenste deel van het tartrazine-monster enige transparantie te zien, waarbij een raster van 5 mm x 5 mm doorschijnt. De visuele kwaliteit van de kipfilet krijgt een aspect van een gummy bear.
Hoe werkt dit?
Het huidige model is dat de absorptie-eigenschappen van tartrazine ook de brekingsindex van water verschuiven. Door de brekingsindex van water gelijk te trekken met die van eiwit- en lipidingsoplossingen, maken we het object transparanter. Dit zal ik later in detail uitleggen.
Het Protocol
De tartrazine is afkomstig van APC Pure. Het had een kleurstofgehalte van >80%, wat betekent dat er enige onzekerheid is over de werkelijke molaire concentratie. Ik heb drie concentraties tartrazine voorbereid, waarvan één een concentratie van 0 was als controle.
| Tartrazine | Kraanwater | w/w | Molaliteit (mol/kg water) | Tartrazine (mmol) | Molariteit (ca.) |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 g | 20 g | 0% | 0 | 0 | 0 M (controle) |
| 2 g | 18 g | 10% | 0,21 | 3,7 | ~0,19 M |
| 6 g | 14 g | 30% | 0,80 | 11,2 | ~0,56 M |
Opmerkingen: Tartrazine heeft een molaire massa van M = 534,4 g/mol. De berekeningen gebruiken de nominale massa (aangezien het poeder >80% kleurstof bevat, liggen de werkelijke waarden tot ~15% lager). De molariteit gaat uit van een eindvolume van de oplossing van ~20 mL.
Specificaties van de gebruikte tartrazine:
- Product: Tartrazine E102 FG, C.I. 19140
- Kleurstofgehalte: >80%
- Moleculaire formule: $\text{C}{16}\text{H}9\text{N}4\text{Na}3\text{O}9\text{S}2$
- Moleculair gewicht: 534,37 g/mol
- $\lambda_{\max}$ (in water): 425 nm
- Wateronoplosbare stoffen: <0,20%
- Bijkomende kleurstoffen: <1,00%
- Zware metalen (als Pb): <40 mg/kg
Om de oplossingen te bereiden, heb ik een juweliersweegschaal gebruikt om de juiste hoeveelheden af te wegen en vervolgens kraanwater toegevoegd volgens de tabel. Om de tartrazine op te lossen, heb ik het bij kamertemperatuur geroerd met een glazen roerder totdat er geen zichtbare klonten meer waren.
Vervolgens heb ik kipfilet van Tesco gebruikt. Ik sneed een plak van 5 mm dik en maakte daar drie stukjes van ongeveer 15 mm lengte. Deze stukken werden in elk van de drie oplossingen geweekt.
Eerste resultaten (6 uur weken)
Na 6 uur weken waren dit de resultaten:
- De kip in de hoogste concentratie faalde, omdat de tartrazine leek te kristalliseren; het oppervlak werd korstig.
- Bij de middelste concentratie (~0,19 M) leek de kip gelatineus, maar hij was niet transparant.
- De controlekip bleef volledig opaak.
Ik heb deze stukken weggegooid en het opnieuw geprobeerd met de volgende methode.
Tweede poging (12 uur weken)
Ik heb dezelfde procedure herhaald, maar met als doel de kip 12 uur bij kamertemperatuur te laten weken. Gezien de problemen met de hoogste concentratie (~0,56 M), heb ik alleen de watercontrole en de middelste concentratie (~0,19 M) gebruikt. Deze keer heb ik de kip in reageerbuizen gedaan en afgedekt om de voedselveiligheidsrisico's te beperken.
Resultaten Bij het stuk dat 12 uur was geweekt, was er een lichte zichtbare translucentie vergeleken met de controle. Om dit beter te onderzoeken, heb ik het onder een sterke lichtbron geplaatst en plakjes van ongeveer 2 mm dik gesneden. Dit was vrij lastig omdat het stukje klein en slijmerig was. In vergelijking met de controle was het verschil in transparantie nu duidelijker zichtbaar.
Waarom proberen we weefsels transparant te maken?
Deze techniek wordt gebruikt om fluorescentie-imaging in levende dieren aanzienlijk te vergemakkelijken.
Vanuit mijn perspectief zou het beheersen van deze techniek de mogelijkheden voor onafhankelijke wetenschappers om thuis beelden te maken, kunnen vergroten. We zouden interne structuren van objecten gemakkelijker kunnen onderzoeken. Transparantie zorgt voor betere beelden en stelt onderzoekers in staat om de weefselstructuur nauwkeuriger te bestuderen.
Effectieve observatie tegen lage kosten is een van de thema's van mijn onderzoek. In lijn hiermee ben ik zeer enthousiast over het uitproberen van ongebruikelijke technieken om structuren gemakkelijker onderzoekbaar te maken.
Hoe maken kleurstoffen biologisch weefsel transparant?
Een materiaal kan opaak zijn om twee redenen:
- Het materiaal absorbeert licht en blokkeert het.
- Het materiaal verstrooit licht vanwege verschillende brekingsindices.
Absorptie als oorzaak van opaciteit
Lichtstralen kunnen worden geabsorbeerd wanneer ze door een materiaal gaan. Als licht wordt geabsorbeerd, bereikt het de ogen niet en kun je de andere kant niet zien. De golflengten die worden geabsorbeerd, worden bepaald door het spectrum van het materiaal. Dit spectrum kunnen we berekenen door het fysische gedrag van moleculen te benaderen als een elektron rond een potentiaal. De Schrödinger-vergelijking leert ons dat dit systeem slechts een discrete set energieën kan bezetten. De verschillen tussen deze energieën bepalen welke golflengten uiteindelijk worden geabsorbeerd.
Breking als oorzaak van opaciteit
De brekingsindex van een materiaal bepaalt hoe snel licht door het medium reist. Wanneer licht tussen materialen met verschillende brekingsindices beweegt, buigt het licht af. Als een materiaal is opgebouwd uit sub-materialen met verschillende brekingsindices, raakt het licht verstrooid omdat de stralen alle kanten op stuiteren.
Biologische materialen bevatten een mix van verschillende sub-materialen: vezels, cellen, eiwitten en meer. Elk van deze materialen heeft een andere brekingsindex. Wanneer een materiaal met één brekingsindex is ingebed in een materiaal met een andere index, ontstaat er verstrooiing. Dit zorgt ervoor dat het licht van de andere kant wordt 'gehusseld'.
We kunnen biologische materialen modelleren als een 'basismateriaal' van water, met daarin ingebedde klompen lipiden en eiwitten, die allemaal verschillende brekingsindices hebben.
Hoe maken we iets transparant?
Om iets transparant te maken, moeten we de twee oorzaken van opaciteit aanpakken. Eén benadering is om het absorptiespectrum van een materiaal te veranderen zodat het minder golflengten absorbeert.
De alternatieve benadering (die in dit artikel centraal staat) is om de brekingsindex van het water in het weefsel aan te passen zodat deze overeenkomt met die van de ingebedde media. Als je de brekingsindex van water met een kleurstof kunt veranderen, kun je deze matchen met de brekingsindex van eiwitten en lipiden, die iets hoger ligt. Als dit lukt zonder de absorptie van het materiaal te verhogen, wordt het weefsel transparanter.
Hoe kunnen we de brekingsindex afstemmen?
Om te begrijpen hoe we de brekingsindex kunnen beïnvloeden, kijken we naar hoe licht reist volgens Maxwell. Licht is een elektromagnetische golf. Voor de intuïtie focussen we op het elektrische veld.
In vacuüm kan de vergelijking voor licht (langs de z-as) worden geschreven als: $$E(z, t) = \text{Re}\left\{ E0\, e^{\,i\omega z / c \;-\; i\omega t} \right\}$$ Waarbij $E0$ de amplitude is, $\omega$ de hoekfrequentie, $c$ de lichtsnelheid, $z$ de afstand en $t$ de tijd.
In media verandert echter de lichtsnelheid en treedt er absorptie op. We herschrijven de vergelijking als: $$E(z, t) = \text{Re}\left\{ E0\, e^{-\kappa \omega z / c}\, e^{\,i(n' \omega z / c \;-\; \omega t)} \right\}$$ Hierbij is $n'$ de reële brekingsindex en $\kappa$ de factor die de demping (absorptie) aanduidt. Samen vormen ze de complexe brekingsindex: $$nc = n' + i\kappa$$
Water heeft een brekingsindex van 1,33. Eiwit- en lipiderijke structuren hebben een brekingsindex van rond de 1,45. Het doel is dus om de brekingsindex van het water naar 1,45 te brengen, terwijl we $\kappa$ (de absorptie) laag houden.
Polarisatie en de Lorentz-oscillator
De brekingsindex wordt beïnvloed door polarisatie. Een materiaal bestaat uit elektronen die gebonden zijn aan kernen. Wanneer een elektrisch veld wordt aangelegd, verandert de positie van de elektronen ten opzichte van hun kernen.
We gebruiken het Lorentz-oscillator-model, waarbij elektronen worden gemodelleerd als een gedempte veer die wordt aangedreven door het elektrische veld van het licht. De bewegingsvergelijking (Tweede Wet van Newton) voor het elektron is: $$m\ddot{x} = -m\omega0^2\, x \;-\; m\gamma\,\dot{x} \;-\; e\,E0\, e^{-i\omega t}$$ Waarbij $\omega_0$ de natuurlijke frequentie is (voor tartrazine de piek bij 425 nm) en $\gamma$ de dempingsgraad.
De polarisatie per volume-eenheid $\mathbf{P}$ is: $$\mathbf{P} = \frac{N e^2/m}{\omega0^2 - \omega^2 - i\gamma\omega}\; \mathbf{E}$$ Dit kunnen we ook schrijven als $\mathbf{P} = \varepsilon0\,\chi\,\mathbf{E}$, waarbij $\chi$ de elektrische susceptibiliteit is: $$\chi(\omega) = \frac{N e^2/(\varepsilon0 m)}{\omega0^2 - \omega^2 - i\gamma\omega}$$
Relatie tussen polarisatie en brekingsindex
De elektrische verplaatsingsveld $\mathbf{D}$ is gerelateerd aan de relatieve permittiviteit $\varepsilonr$: $$\mathbf{D} = \varepsilon0 \varepsilonr \mathbf{E} = \varepsilon0 \mathbf{E} + \mathbf{P}$$ De relatieve permittiviteit is gerelateerd aan de complexe brekingsindex via: $$nc^2 = (n' + i\kappa)^2 = \varepsilonr$$
Wanneer we tartrazine toevoegen aan water, tellen we de polarisaties bij elkaar op: $$\mathbf{D} = \varepsilon0\mathbf{E} + \mathbf{P}{\text{water}} + \mathbf{P}{\text{tartrazine}}$$ Dit resulteert in een nieuwe relatieve permittiviteit: $$\varepsilonr = \varepsilon{r,\text{water}} + \chid = nw^2 + \chid$$
Voor een verdunde kleurstof kunnen we via een Taylor-expansie de nieuwe brekingsindex $nc$ benaderen: $$nc \approx nw + \frac{\chid}{2 nw}$$ Dit betekent dat de verschuiving in de reële brekingsindex $\Delta n'$ en de absorptie $\kappa$ als volgt zijn: $$\Delta n' = \frac{\text{Re}\,\chid}{2 nw}, \qquad \kappa = \frac{\text{Im}\,\chid}{2 n_w}$$
Voor tartrazine en rood licht ligt de frequentie $\omega$ onder de resonantie $\omega0$, waardoor $\Delta n'$ positief is. Dit betekent dat de kleurstof de brekingsindex van het water verhoogt. Omdat $\kappa$ alleen groot is nabij de resonantie ($\omega \approx \omega0$), treedt er bij rood licht nauwelijks absorptie op.
***
Voetnoot: Afleiding van de relatie tussen brekingsindex en permittiviteit Gebaseerd op de Maxwell-vergelijkingen in een niet-magnetisch materiaal zonder vrije ladingen of stromen:
- $\nabla \times (\nabla \times \mathbf{E}) = -\frac{\partial}{\partial t}\,\nabla \times \mathbf{B}$
- $\nabla \times \mathbf{B} = \mu0 \varepsilon0 \varepsilon_r \frac{\partial \mathbf{E}}{\partial t}$
Dit leidt tot de golfvergelijking: $\nabla^2 \mathbf{E} = \frac{\varepsilonr}{c^2}\frac{\partial^2 \mathbf{E}}{\partial t^2}$ Voor een vlakke golf met $k = (n' + i\kappa) \omega/c$ geldt: $k^2 = \varepsilonr \frac{\omega^2}{c^2} \Rightarrow \varepsilonr(\omega) = nc(\omega)^2 = (n' + i\kappa)^2$
Groetjes,