Aerosol-trykt grafen afsløret som lav pris, hurtigere madtoksinsensor

Forskere i USA har udviklet en grafen-baseret elektrokemisk sensor, der er i stand til at detektere histaminer (allergener) og toksiner i fødevarer meget hurtigere end standard laboratorietests.

Holdet brugte aerosol-jet-print til at skabe sensoren. Evnen til at ændre mønstergeometrien efter behov gennem softwarestyring tillod hurtig prototyping og effektiv optimering af sensorlayoutet.

Kommenterer resultaterne, som offentliggøres i dag i IOP Publishing-tidsskriftet 2-D materialer , seniorforfatter professor Mark Hersam, fra Northwestern University, sagde:"Vi udviklede en aerosol-jet printbar grafenblæk for at muliggøre effektiv udforskning af forskellige enhedsdesigns, hvilket var afgørende for at optimere sensorresponsen."

Som en additiv fremstillingsmetode, der kun afsætter materiale, hvor det er nødvendigt og derfor minimerer spild, aerosol-jet-printede sensorer er billige, ligetil at lave, og bærbare. Dette kunne potentielt gøre det muligt at bruge dem på steder, hvor der er behov for kontinuerlig overvågning på stedet af fødevareprøver for at bestemme og opretholde produkternes kvalitet, samt andre applikationer.

Seniorforfatter professor Carmen Gomes, fra Iowa State University, sagde:"Aerosol-jet udskrivning var fundamental for udviklingen af ​​denne sensor. Kulstof nanomaterialer som grafen har unikke materialeegenskaber såsom høj elektrisk ledningsevne, overfladeareal, og biokompatibilitet, der væsentligt kan forbedre ydeevnen af ​​elektrokemiske sensorer.

"Men, da elektrokemiske sensorer i felten typisk er til engangsbrug, de har brug for materialer, der er egnede til lave omkostninger, Høj gennemstrømning, og skalerbar produktion. Aerosol-jet print gav os dette."

Holdet skabte højopløsnings interdigiterede elektroder (IDE'er) på fleksible substrater, som de konverterede til histaminsensorer ved kovalent at forbinde monoklonale antistoffer til iltdele skabt på grafenoverfladen ved en CO2 termisk annealingsproces.

De testede derefter sensorerne i både en bufferopløsning (PBS) og fiskebouillon, for at se, hvor effektive de var til at påvise histaminer.

Medforfatter Kshama Parate, fra Iowa State University, sagde:"Vi fandt ud af, at grafenbiosensoren kunne detektere histamin i PBS og fiskebouillon over toksikologisk-relevante områder på 6,25 til 100 dele per million (ppm) og 6,25 til 200 ppm, henholdsvis, med lignende detektionsgrænser på 2,52 ppm og 3,41 ppm, henholdsvis. Disse sensorresultater er betydelige, da histaminniveauer over 50 ppm i fisk kan forårsage uønskede helbredseffekter, herunder alvorlige allergiske reaktioner - f.eks. scombroid madforgiftning.

"I særdeleshed, sensorerne viste også en hurtig responstid på 33 minutter, uden behov for formærkning og forbehandling af fiskeprøven. Dette er en hel del hurtigere end de tilsvarende laboratorietests."

Forskerne fandt også ud af, at biosensorens følsomhed ikke var signifikant påvirket af den ikke-specifikke adsorption af store proteinmolekyler, der almindeligvis findes i fødevareprøver og bruges som blokeringsmidler.

Seniorforfatter Dr. Jonathan Claussen, fra Iowa State University, sagde:"Denne type biosensor kan bruges i fødevareforarbejdningsfaciliteter, import og eksport havne, og supermarkeder, hvor der er behov for kontinuerlig overvågning på stedet af fødevareprøver. Denne test på stedet vil eliminere behovet for at sende fødevareprøver til laboratorietestning, som kræver yderligere håndteringstrin, øger tid og omkostninger til histaminanalyse, og dermed øger risikoen for fødevarebårne sygdomme og madspild.

"Det kan sandsynligvis også bruges i andre biosensing-applikationer, hvor hurtig overvågning af målmolekyler er nødvendig, da prøveforbehandlingen elimineres ved hjælp af den udviklede immunosensingsprotokol. Udover at føle små allergenmolekyler som histamin, det kunne bruges til at detektere forskellige mål såsom celler og proteinbiomarkører. Ved at skifte antistoffet, der er immobiliseret på sensorplatformen, til et antistof, der er specifikt for påvisning af egnede biologiske målarter, sensoren kan yderligere imødekomme specifikke applikationer. Eksempler omfatter fødevarepatogener (Salmonella spp.), dødelige sygdomme hos mennesker (kræft, HIV) eller dyre- eller plantesygdomme (fugleinfluenza, Citrus tristeza)."