MIT-ingenieurs hebben een klittenbandachtige voedselsensor ontworpen, gemaakt van een reeks zijden micronaalden, dat door plastic verpakkingen steekt om voedsel te bemonsteren op tekenen van bederf en bacteriële besmetting.

De micronaalden van de sensor zijn gevormd uit een oplossing van eetbare eiwitten die gevonden worden in zijden cocons, en zijn ontworpen om vloeistof in de achterkant van de sensor te zuigen, die is bedrukt met twee soorten gespecialiseerde inkt. Een van deze "bioinks" verandert van kleur bij contact met vloeistof met een bepaald pH-bereik, om aan te geven dat het eten is bedorven; de andere kleurt van kleur wanneer hij verontreinigende bacteriën zoals pathogene E. coli detecteert.

De onderzoekers bevestigden de sensor aan een filet van rauwe vis die ze hadden ingespoten met een oplossing die besmet was met E. coli. Na minder dan een dag, ze ontdekten dat het deel van de sensor dat was bedrukt met bacteriegevoelige bioinkt, van blauw in rood veranderde - een duidelijk teken dat de vis besmet was. Na nog een paar uur, de pH-gevoelige bioink veranderde ook van kleur, wat aangeeft dat de vis ook was bedorven.

De resultaten, vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen , zijn een eerste stap in de richting van de ontwikkeling van een nieuwe colorimetrische sensor die tekenen van voedselbederf en besmetting kan detecteren.

Dergelijke slimme voedselsensoren kunnen helpen bij het voorkomen van uitbraken zoals de recente salmonellabesmetting in uien en perziken. Ze kunnen ook voorkomen dat consumenten voedsel weggooien waarvan de houdbaarheidsdatum is verstreken, maar is in feite nog steeds te consumeren.

"Er wordt veel voedsel verspild door een gebrek aan goede etikettering, en we gooien eten weg zonder te weten of het bedorven is of niet, " zegt Benedetto Marelli, de Paul M. Cook Assistent-professor voor loopbaanontwikkeling bij de afdeling Civiele en Milieutechniek van het MIT. "Mensen verspillen ook veel voedsel na uitbraken, omdat ze niet zeker weten of het voedsel echt besmet is of niet. Een technologie als deze zou de eindgebruiker het vertrouwen geven om geen voedsel te verspillen."

Marelli's co-auteurs op het papier zijn Doyoon Kim, Yunteng Cao, Dhanushkodi Marappan, Michael S. Bono Jr., en A. John Hart.

Zijde en bedrukking

De nieuwe voedselsensor is het product van een samenwerking tussen Marelli, wiens lab de eigenschappen van zijde gebruikt om nieuwe technologieën te ontwikkelen, en Hart, wiens groep nieuwe productieprocessen ontwikkelt.

Hart heeft onlangs een hoge resolutie floxografietechniek ontwikkeld, het realiseren van microscopische patronen die goedkope gedrukte elektronica en sensoren mogelijk maken. In de tussentijd, Marelli had een op zijde gebaseerde micronaaldstempel ontwikkeld die doordringt en voedingsstoffen aan planten levert. In gesprek, de onderzoekers vroegen zich af of hun technologieën konden worden gekoppeld aan een geprinte voedselsensor die de voedselveiligheid bewaakt.

"Het beoordelen van de gezondheid van voedsel door alleen het oppervlak te meten is vaak niet goed genoeg. Op een gegeven moment, Benedetto noemde het micronaaldwerk van zijn groep met planten, en we realiseerden ons dat we onze expertise konden combineren om een ​​effectievere sensor te maken, ’ herinnert Hart zich.

Het team wilde een sensor maken die door het oppervlak van veel soorten voedsel kon dringen. Het ontwerp dat ze bedachten, bestond uit een reeks micronaalden gemaakt van zijde.

"Zijde is volledig eetbaar, niet giftig, en kan worden gebruikt als voedselingrediënt, en het is mechanisch robuust genoeg om door een groot spectrum van weefseltypes te dringen, zoals vlees, perziken, en sla, ' zegt Marelli.

Een diepere detectie

Om de nieuwe sensor te maken, Kim maakte eerst een oplossing van zijdefibroïne, een eiwit gewonnen uit mottencocons, en goot de oplossing in een siliconen micronaaldvorm. Na het drogen, hij pelde de resulterende reeks micronaalden weg, elk ongeveer 1,6 millimeter lang en 600 micron breed, ongeveer een derde van de diameter van een spaghettistreng.

Het team ontwikkelde vervolgens oplossingen voor twee soorten bioinkt:kleurveranderende bedrukbare polymeren die kunnen worden gemengd met andere sensoringrediënten. In dit geval, de onderzoekers mengden in één bioinkt een antilichaam dat gevoelig is voor een molecuul in E. coli. Wanneer het antilichaam in contact komt met dat molecuul, het verandert van vorm en duwt fysiek op het omringende polymeer, wat op zijn beurt de manier verandert waarop de bioink licht absorbeert. Op deze manier, de bioink kan van kleur veranderen wanneer hij verontreinigende bacteriën detecteert.

De onderzoekers maakten een bioink met antistoffen die gevoelig zijn voor E. coli, en een tweede bioinkt die gevoelig is voor pH-waarden die verband houden met bederf. Ze drukten de bacteriegevoelige bioinkt af op het oppervlak van de micronaaldreeks, in het patroon van de letter "E, " waarna ze de pH-gevoelige bioink printen, als een "C". Beide letters leken aanvankelijk blauw van kleur.

Kim plaatste vervolgens poriën in elke micronaald om het vermogen van de array om vloeistof op te nemen via capillaire werking te vergroten. Om de nieuwe sensor te testen, hij kocht verschillende filets rauwe vis van een plaatselijke supermarkt en injecteerde elke filet met een vloeistof die ofwel E. coli, Salmonella, of de vloeistof zonder verontreinigingen. Hij stak een sensor in elke filet. Vervolgens, hij wachtte.

Na ongeveer 16 uur, het team merkte op dat de "E" van blauw naar rood veranderde, alleen in de filet besmet met E. coli, wat aangeeft dat de sensor de bacteriële antigenen nauwkeurig heeft gedetecteerd. Na nog een paar uur, zowel de "C" als de "E" in alle monsters werden rood, wat aangeeft dat elke filet was bedorven.

De onderzoekers ontdekten ook dat hun nieuwe sensor besmetting en bederf sneller aangeeft dan bestaande sensoren die alleen ziekteverwekkers op het oppervlak van voedsel detecteren.

"Er zijn veel holtes en gaten in voedsel waar ziekteverwekkers zijn ingebed, en oppervlaktesensoren kunnen deze niet detecteren, ' zegt Kim. 'Dus we moeten wat dieper inpluggen om de betrouwbaarheid van de detectie te verbeteren. Met behulp van deze piercing-techniek, we hoeven ook geen verpakking te openen om de voedselkwaliteit te inspecteren."

Het team zoekt naar manieren om de opname van vocht door de micronaalden te versnellen, evenals de detectie van verontreinigingen door de bioinks. Nadat het ontwerp is geoptimaliseerd, ze stellen zich voor dat de sensor in verschillende stadia van de toeleveringsketen kan worden gebruikt, van operators in verwerkingsbedrijven, die de sensoren kunnen gebruiken om producten te controleren voordat ze worden verzonden, aan consumenten die ervoor kunnen kiezen om de sensoren op bepaalde voedingsmiddelen toe te passen om ervoor te zorgen dat ze veilig zijn om te eten.