Den kardborreliknande matsensorn, gjord av en rad silkesmikronålar, kan tränga igenom plastförpackningar för att prova mat efter tecken på förstörelse och bakteriell kontaminering. Kredit:Bild:Felice Frankel
Färgbyte av silkesmikronålar kan hjälpa till att hejda utbrott och undvika matsvinn.
MIT-ingenjörer har designat en kardborreliknande matsensor, gjord av en rad silkesmikronålar, som tränger igenom plastförpackningar för att prova mat efter tecken på förstörelse och bakteriell kontaminering.
Sensorns mikronålar är gjutna av en lösning av ätbara proteiner som finns i sidenkokonger och är designade för att dra in vätska på baksidan av sensorn, som är tryckt med två typer av specialiserat bläck. Ett av dessa "biobläck" ändrar färg när det kommer i kontakt med vätska med ett visst pH-intervall, vilket indikerar att maten har blivit förstörd; den andra färgar när den känner av kontaminerande bakterier som patogena E. coli .
Forskarna fäste sensorn på en filé av rå fisk som de hade injicerat med en lösning kontaminerad med E. coli. Efter mindre än ett dygn fann de att den del av sensorn som var tryckt med bakteriekännande biobläck blev från blått till rött - ett tydligt tecken på att fisken var kontaminerad. Efter ytterligare några timmar ändrade även det pH-känsliga biobläcket färg, vilket signalerade att fisken också hade blivit bortskämd.
Resultaten, publicerade idag (9 september 2020) i tidskriften Advanced Functional Materials , är ett första steg mot att utveckla en ny kolorimetrisk sensor som kan upptäcka tecken på matförstöring och kontaminering.
Forskarna fäste sensorn på en filé av rå fisk som de hade injicerat med en lösning kontaminerad med E. coli. Efter mindre än ett dygn fann de att den del av sensorn som var tryckt med bakteriekännande biobläck blev från blått till rött - ett tydligt tecken på att fisken var kontaminerad. Efter ytterligare några timmar ändrade även det pH-känsliga biobläcket färg, vilket signalerade att fisken också hade blivit bortskämd.
Kredit:Bild:Jose-Luis Olivares, MIT. Sensortextur med tillstånd av forskarna
Sådana smarta matsensorer kan hjälpa till att avvärja utbrott som den senaste tidens salmonellakontamination i lök och persikor. De skulle också kunna hindra konsumenter från att slänga mat som kan ha passerat ett utskrivet utgångsdatum, men som i själva verket fortfarande kan konsumeras.
"Det finns mycket mat som går till spillo på grund av brist på korrekt märkning, och vi slänger mat utan att ens veta om den är bortskämd eller inte", säger Benedetto Marelli, Paul M. Cooks karriärutvecklingsassistent vid MIT:s avdelning för Civil-och miljöteknik. "Människor slösar också mycket mat efter utbrott, eftersom de inte är säkra på om maten faktiskt är förorenad eller inte. En teknik som denna skulle ge slutanvändaren förtroende att inte slösa mat.”
Marellis medförfattare på tidningen är Doyoon Kim, Yunteng Cao, Dhanushkodi Mariappan, Michael S. Bono Jr. och A. John Hart.
Silke och tryck
Den nya matsensorn är produkten av ett samarbete mellan Marelli, vars labb utnyttjar sidens egenskaper för att utveckla ny teknik, och Hart, vars grupp utvecklar nya tillverkningsprocesser.
Hart utvecklade nyligen en högupplöst floxografiteknik som realiserar mikroskopiska mönster som kan möjliggöra lågkostnadstryckt elektronik och sensorer. Under tiden hade Marelli utvecklat en silkesbaserad mikronålstämpel som penetrerar och levererar näringsämnen till växter. Under samtalet undrade forskarna om deras teknologier kunde paras ihop för att producera en tryckt matsensor som övervakar livsmedelssäkerheten.
Denna schematiska illustration visar det föreslagna övervakningssystemet för livsmedelskvalitet som använder silkesmikronålar med tryckta biobläck som kolorimetriska sensorer. Kredit:Bild med tillstånd av forskarna
”Att bedöma matens hälsa genom att bara mäta dess yta är ofta inte tillräckligt bra. Vid något tillfälle nämnde Benedetto sin grupps mikronålsarbete med växter, och vi insåg att vi kunde kombinera vår expertis för att göra en mer effektiv sensor”, minns Hart.
Teamet försökte skapa en sensor som kunde tränga igenom ytan på många typer av mat. Designen de kom fram till bestod av en rad mikronålar gjorda av siden.
"Silke är helt ätbart, giftfritt och kan användas som livsmedelsingrediens, och det är mekaniskt robust nog att tränga igenom ett stort spektrum av vävnadstyper, som kött, persikor och sallad", säger Marelli.
En djupare upptäckt
För att göra den nya sensorn gjorde Kim först en lösning av silkesfibroin, ett protein extraherat från malkokonger, och hällde lösningen i en mikronålsform av silikon. Efter torkning skalade han bort den resulterande samlingen av mikronålar, som var och en var cirka 1,6 millimeter lång och 600 mikron bred – ungefär en tredjedel av diametern på en spagettisträng.
Teamet utvecklade sedan lösningar för två typer av biobläck – färgskiftande utskrivbara polymerer som kan blandas med andra avkänningsingredienser. I det här fallet blandade forskarna i ett biobläck en antikropp som är känslig för en molekyl i E. coli . När antikroppen kommer i kontakt med den molekylen ändrar den form och trycker fysiskt på den omgivande polymeren, vilket i sin tur förändrar hur biobläcket absorberar ljus. På så sätt kan biobläcket ändra färg när det känner av kontaminerande bakterier.
Till vänster kan du se ett exempel på mikronålarrayen med 100 nålar. Till höger är en SEM-bild av en enda nål. Kredit:Bild med tillstånd av forskarna
Forskarna gjorde ett biobläck innehållande antikroppar som är känsliga för E. coli , och ett andra biobläck som är känsligt för pH-nivåer som är associerade med förstörelse. De tryckte det bakterieavkännande biobläcket på ytan av mikronålarrayen, i mönstret av bokstaven "E", bredvid vilken de skrev ut det pH-känsliga biobläcket, som ett "C." Båda bokstäverna verkade initialt blå i färgen.
Kim bäddade sedan in porer i varje mikronål för att öka arrayens förmåga att dra upp vätska via kapillärverkan. För att testa den nya sensorn köpte han flera filéer av rå fisk från en lokal livsmedelsbutik och injicerade varje filé med en vätska som innehöll antingen E. coli , Salmonella, eller vätskan utan föroreningar. Han stack en sensor i varje filé. Sedan väntade han.
Efter cirka 16 timmar observerade teamet att "E" blev från blått till rött, bara i filén som var förorenad med E. coli , vilket indikerar att sensorn exakt detekterade de bakteriella antigenerna. Efter ytterligare flera timmar blev både "C" och "E" i alla prover röda, vilket tyder på att varje filé hade blivit förstörd.
Forskarna fann också att deras nya sensor indikerar kontaminering och förstörelse snabbare än befintliga sensorer som bara upptäcker patogener på ytan av livsmedel.
"Det finns många hålrum och hål i mat där patogener är inbäddade, och ytsensorer kan inte upptäcka dessa", säger Kim. "Så vi måste plugga in lite djupare för att förbättra tillförlitligheten för detekteringen. Med den här piercingstekniken behöver vi inte heller öppna en förpackning för att inspektera matens kvalitet.”
Teamet letar efter sätt att påskynda mikronålarnas absorption av vätska, såväl som biobläckens avkänning av föroreningar. När designen är optimerad, föreställer de sig att sensorn kan användas i olika stadier längs leveranskedjan, från operatörer i bearbetningsanläggningar, som kan använda sensorerna för att övervaka produkter innan de skickas ut, till konsumenter som kan välja att använda sensorerna på vissa livsmedel för att se till att de är säkra att äta.
Referens:"A Microneedle Technology for Sampling and Sensing Bacteria in the Food Supply Chain" av Doyoon Kim, Yunteng Cao, Dhanushkodi Mariappan, Michael S. Bono Jr., A. John Hart och Benedetto Marelli, 9 september 2020, Avancerat Funktionella material .
DOI:10.1002/adfm.202005370
Denna forskning stöddes delvis av MIT Abdul Latif Jameel Water and Food Systems Lab (J-WAFS), U.S. National Science Foundation och U.S.S. Office of Naval Research.
