Velcro-lignende madsensor registrerer fordærv og forurening

MIT ingeniører har designet en velcro-lignende madsensor, lavet af en række silkemikronåle, der trænger gennem plastikemballage for at prøve mad for tegn på fordærv og bakteriel forurening.

Sensorens mikronåle er støbt af en opløsning af spiselige proteiner, der findes i silkekokoner, og er designet til at trække væske ind på bagsiden af ​​sensoren, som er trykt med to typer specialiseret blæk. Et af disse "bioinks" skifter farve, når det kommer i kontakt med væske i et bestemt pH-område, angiver, at maden er fordærvet; den anden får farve, når den registrerer forurenende bakterier såsom patogene E. coli.

Forskerne fastgjorde sensoren til en filet af rå fisk, som de havde injiceret med en opløsning, der var forurenet med E. coli. Efter mindre end et døgn, de fandt ud af, at den del af sensoren, der var trykt med bakteriefølende bioblæk, blev fra blå til rød - et tydeligt tegn på, at fisken var forurenet. Efter et par timer mere, det pH-følsomme bioblæk ændrede også farve, signalerer, at fisken også var fordærvet.

Resultaterne, offentliggjort i dag i tidsskriftet Avancerede funktionelle materialer , er et første skridt i retning af at udvikle en ny kolorimetrisk sensor, der kan detektere tegn på madfordærvelse og kontaminering.

Sådanne smarte fødevaresensorer kan hjælpe med at afværge udbrud såsom den nylige salmonella-forurening i løg og ferskner. De kan også forhindre forbrugere i at smide mad ud, der kan være over en udskrevet udløbsdato, men er faktisk stadig til forbrug.

"Der er meget mad, der går til spilde på grund af manglende korrekt mærkning, og vi smider mad ud uden selv at vide, om det er fordærvet eller ej, " siger Benedetto Marelli, Paul M. Cook Karriereudviklingsassistent ved MIT's Institut for Civil- og Miljøteknik. "Folk spilder også en masse mad efter udbrud, fordi de ikke er sikre på, om maden faktisk er forurenet eller ej. En teknologi som denne ville give slutbrugeren tillid til ikke at spilde mad."

Marellis medforfattere på papiret er Doyoon Kim, Yunteng Cao, Dhanushkodi Mariappan, Michael S. Bono Jr., og A. John Hart.

Silke og tryk

Den nye fødevaresensor er et produkt af et samarbejde mellem Marelli, hvis laboratorium udnytter silkens egenskaber til at udvikle nye teknologier, og Hart, hvis gruppe udvikler nye fremstillingsprocesser.

Hart udviklede for nylig en højopløsnings floxografiteknik, at realisere mikroskopiske mønstre, der kan muliggøre billig trykt elektronik og sensorer. I mellemtiden Marelli havde udviklet et silkebaseret mikronålsstempel, der trænger ind og leverer næringsstoffer til planter. I samtale, forskerne spekulerede på, om deres teknologier kunne parres til at producere en trykt fødevaresensor, der overvåger fødevaresikkerheden.

"At vurdere madens sundhed ved blot at måle dens overflade er ofte ikke godt nok. På et tidspunkt, Benedetto nævnte sin gruppes mikronåle-arbejde med planter, og vi indså, at vi kunne kombinere vores ekspertise for at lave en mere effektiv sensor, " husker Hart.

Holdet søgte at skabe en sensor, der kunne trænge gennem overfladen af ​​mange typer mad. Designet, de fandt på, bestod af en række mikronåle lavet af silke.

"Silke er fuldstændig spiseligt, ikke-giftige, og kan bruges som fødevareingrediens, og det er mekanisk robust nok til at trænge igennem et stort spektrum af vævstyper, som kød, ferskner, og salat, " siger Marelli.

En dybere detektion

For at lave den nye sensor, Kim lavede først en opløsning af silkefibroin, et protein udvundet fra mølkokoner, og hældte opløsningen i en silikone-mikronåleform. Efter tørring, han pillede den resulterende række af mikronåle væk, hver måler omkring 1,6 millimeter lang og 600 mikron bred - omkring en tredjedel af diameteren af ​​en spaghettistreng.

Holdet udviklede derefter løsninger til to slags bioblæk - farveskiftende printbare polymerer, der kan blandes med andre sensing-ingredienser. I dette tilfælde, forskerne blandede i ét bioblæk et antistof, der er følsomt over for et molekyle i E. coli. Når antistoffet kommer i kontakt med det molekyle, det ændrer form og skubber fysisk på den omgivende polymer, hvilket igen ændrer bioblækkets måde at absorbere lys på. På denne måde bioblækket kan ændre farve, når det registrerer forurenende bakterier.

Forskerne lavede et bioblæk indeholdende antistoffer følsomme over for E. coli, og et andet bioblæk, der er følsomt over for pH-niveauer, der er forbundet med fordærv. De printede det bakteriefølende bioblæk på overfladen af ​​mikronåle-arrayet, i mønsteret af bogstavet "E, "ved siden af ​​trykte de det pH-følsomme bioblæk, som et "C." Begge bogstaver så oprindeligt ud i blå farve.

Kim indlejrede derefter porer i hver mikronål for at øge arrayets evne til at trække væske op via kapillærvirkning. For at teste den nye sensor, han købte flere fileter af rå fisk fra en lokal købmand og injicerede hver filet med en væske, der indeholdt enten E. coli, Salmonella, eller væsken uden forurenende stoffer. Han stak en sensor ind i hver filet. Derefter, han ventede.

Efter cirka 16 timer, holdet observerede, at "E" blev fra blå til rød, kun i fileten, der er forurenet med E. coli, hvilket indikerer, at sensoren nøjagtigt detekterede de bakterielle antigener. Efter flere timer, både "C" og "E" i alle prøver blev røde, angiver, at hver filet var forkælet.

Forskerne fandt også ud af, at deres nye sensor indikerer forurening og fordærv hurtigere end eksisterende sensorer, der kun registrerer patogener på overfladen af ​​fødevarer.

"Der er mange hulrum og huller i maden, hvor patogener er indlejret, og overfladesensorer kan ikke registrere disse, " siger Kim. "Så vi er nødt til at tilslutte lidt dybere for at forbedre pålideligheden af ​​detektionen. Ved at bruge denne piercingteknik, vi behøver heller ikke åbne en pakke for at inspicere fødevarekvaliteten."

Holdet leder efter måder at fremskynde mikronålenes absorption af væske, samt bioinkernes sansning af forurenende stoffer. Når designet er optimeret, de forestiller sig, at sensoren kan bruges på forskellige stadier i forsyningskæden, fra operatører i forarbejdningsanlæg, hvem kan bruge sensorerne til at overvåge produkter, før de sendes ud, til forbrugere, der kan vælge at anvende sensorerne på visse fødevarer for at sikre, at de er sikre at spise.