Onderzoekers in de VS hebben een op grafeen gebaseerde elektrochemische sensor ontwikkeld die histamine (allergenen) en toxines in voedsel veel sneller kan detecteren dan standaard laboratoriumtests.

Het team gebruikte aerosol-jetprinten om de sensor te maken. De mogelijkheid om de patroongeometrie op aanvraag te wijzigen door middel van softwarebesturing maakte snelle prototyping en efficiënte optimalisatie van de sensorlay-out mogelijk.

In een reactie op de bevindingen, die vandaag worden gepubliceerd in het tijdschrift IOP Publishing 2D-materialen , senior auteur professor Mark Hersam, van de Northwestern University, zei:"We hebben een aërosol-jet bedrukbare grafeeninkt ontwikkeld om efficiënte verkenning van verschillende apparaatontwerpen mogelijk te maken, wat cruciaal was voor het optimaliseren van de sensorrespons."

Als additieve productiemethode die alleen materiaal deponeert waar het nodig is en daarom afval minimaliseert, aerosol-jet-geprinte sensoren zijn goedkoop, eenvoudig te maken, en draagbaar. Dit zou het gebruik ervan mogelijk kunnen maken op plaatsen waar continue monitoring van voedselmonsters ter plaatse nodig is om de kwaliteit van producten te bepalen en te behouden, evenals andere toepassingen.

Senior auteur professor Carmen Gomes, van de staatsuniversiteit van Iowa, zei:"Aerosol-jet printen was fundamenteel voor de ontwikkeling van deze sensor. Koolstof nanomaterialen zoals grafeen hebben unieke materiaaleigenschappen zoals een hoge elektrische geleidbaarheid, oppervlakte, en biocompatibiliteit die de prestaties van elektrochemische sensoren aanzienlijk kan verbeteren.

"Maar, aangezien elektrochemische sensoren in het veld typisch wegwerpbaar zijn, ze hebben materialen nodig die geschikt zijn voor lage kosten, hoge doorvoer, en schaalbare productie. Aerosol-jet printing gaf ons dit."

Het team creëerde interdigitated elektroden (IDE's) met hoge resolutie op flexibele substraten, die ze hebben omgezet in histaminesensoren door monoklonale antilichamen covalent te koppelen aan zuurstofgroepen die op het grafeenoppervlak zijn gecreëerd door een thermisch CO2-gloeiproces.

Vervolgens testten ze de sensoren in zowel een bufferoplossing (PBS) als visbouillon, om te zien hoe effectief ze waren in het detecteren van histamine.

Co-auteur Kshama Parate, van de Iowa State University, zei:"We ontdekten dat de grafeenbiosensor histamine in PBS en visbouillon kon detecteren over toxicologisch relevante bereiken van 6,25 tot 100 delen per miljoen (ppm) en 6,25 tot 200 ppm, respectievelijk, met vergelijkbare detectielimieten van 2,52 ppm en 3,41 ppm, respectievelijk. Deze sensorresultaten zijn significant, aangezien histaminegehalten van meer dan 50 ppm in vissen nadelige gezondheidseffecten kunnen veroorzaken, waaronder ernstige allergische reacties, bijvoorbeeld scombroid voedselvergiftiging.

"Opmerkelijk, de sensoren toonden ook een snelle responstijd van 33 minuten, zonder de noodzaak van pre-etikettering en voorbehandeling van het vismonster. Dat is een stuk sneller dan vergelijkbare laboratoriumtesten."

De onderzoekers ontdekten ook dat de gevoeligheid van de biosensor niet significant werd beïnvloed door de niet-specifieke adsorptie van grote eiwitmoleculen die vaak worden aangetroffen in voedselmonsters en worden gebruikt als blokkerende middelen.

Senior auteur dr. Jonathan Claussen, van de Iowa State University, zei:"Dit type biosensor zou kunnen worden gebruikt in voedselverwerkingsfaciliteiten, import- en exporthavens, en supermarkten waar continue monitoring van voedselmonsters ter plaatse nodig is. Door deze on-site testen is het niet meer nodig om voedselmonsters op te sturen voor laboratoriumtests, waarvoor extra handelingen nodig zijn, verhoogt de tijd en kosten voor histamine-analyse, en verhoogt bijgevolg het risico op door voedsel overgedragen ziekten en voedselverspilling.

"Het kan waarschijnlijk ook worden gebruikt in andere biosensing-toepassingen waar snelle monitoring van doelmoleculen nodig is, omdat de voorbehandeling van het monster wordt geëlimineerd met behulp van het ontwikkelde immunosensing-protocol. Naast het waarnemen van kleine allergeenmoleculen zoals histamine, het zou kunnen worden gebruikt om verschillende doelen te detecteren, zoals cellen en eiwitbiomarkers. Door het op het sensorplatform geïmmobiliseerde antilichaam om te schakelen naar een antilichaam dat specifiek is voor de detectie van geschikte biologische doelsoorten, de sensor kan verder inspelen op specifieke toepassingen. Voorbeelden zijn onder meer voedselpathogenen (Salmonella spp.), dodelijke ziekten bij de mens (kanker, hiv) of dier- of plantenziekten (aviaire influenza, Citrustristeza)."