11.06.2020 - IOP Publishing Limited

Aerosol-bedrucktes Graphen als kostengünstiger und schnellerer Sensor für Lebensmittelgifte vorgestellt

Sie testeten die Sensoren in einer Fischbrühe, um zu sehen, wie effektiv sie Histamine nachweisen konnten

Forscher in den USA haben einen elektrochemischen Sensor auf Graphenbasis entwickelt, der in der Lage ist, Histamine (Allergene) und Toxine in Nahrungsmitteln viel schneller als herkömmliche Labortests nachzuweisen.

Zur Herstellung des Sensors verwendete das Team den Aerosol-Jet-Druck. Die Möglichkeit, die Mustergeometrie bei Bedarf durch Softwaresteuerung zu ändern, ermöglichte ein schnelles Prototyping und eine effiziente Optimierung des Sensorlayouts.

In seinem Kommentar zu den Ergebnissen, die heute in der IOP-Verlagszeitschrift 2D Materials veröffentlicht werden, sagte der leitende Autor Professor Mark Hersam von der Northwestern University: "Wir haben eine Aerosolstrahl-bedruckbare Graphen-Tinte entwickelt, um eine effiziente Untersuchung verschiedener Gerätedesigns zu ermöglichen, was für die Optimierung der Sensorreaktion entscheidend war.

Als additives Herstellungsverfahren, das Material nur dort ablagert, wo es benötigt wird, und somit den Abfall minimiert, sind Sensoren mit Aerosolstrahl-Druck kostengünstig, einfach herzustellen und tragbar. Dies könnte ihren Einsatz an Orten ermöglichen, an denen eine kontinuierliche Vor-Ort-Überwachung von Lebensmittelproben erforderlich ist, um die Qualität von Produkten zu bestimmen und aufrechtzuerhalten, sowie bei anderen Anwendungen.

Die leitende Autorin, Professor Carmen Gomes von der Iowa State University, sagte: "Der Aerosol-Jet-Druck war für die Entwicklung dieses Sensors von grundlegender Bedeutung. Kohlenstoff-Nanomaterialien wie Graphen haben einzigartige Materialeigenschaften wie hohe elektrische Leitfähigkeit, Oberfläche und Biokompatibilität, die die Leistung elektrochemischer Sensoren erheblich verbessern können.

"Da elektrochemische Feldsensoren in der Regel Einweg-Sensoren sind, benötigen sie jedoch Materialien, die sich kostengünstig, mit hohem Durchsatz und skalierbar herstellen lassen. Der Aerosol-Jet-Druck hat uns dies ermöglicht."

Das Team erstellte hochauflösende interdigitale Elektroden (IDEs) auf flexiblen Substraten, die sie in Histamin-Sensoren umwandelten, indem sie monoklonale Antikörper kovalent mit Sauerstoffanteilen verknüpften, die auf der Graphen-Oberfläche durch einen thermischen CO2-Glühprozess erzeugt wurden.

Dann testeten sie die Sensoren sowohl in einer Pufferlösung (PBS) als auch in Fischbrühe, um zu sehen, wie effektiv sie Histamine nachweisen konnten.

Koautor Kshama Parate von der Iowa State University sagte: "Wir fanden heraus, dass der Graphen-Biosensor Histamin in PBS und Fischbrühe über toxikologisch relevante Bereiche von 6,25 bis 100 ppm (parts per million) bzw. 6,25 bis 200 ppm nachweisen konnte, mit ähnlichen Nachweisgrenzen von 2,52 ppm bzw. 3,41 ppm. Diese Sensorergebnisse sind signifikant, da Histamingehalte über 50 ppm in Fischen schädliche gesundheitliche Auswirkungen bis hin zu schweren allergischen Reaktionen verursachen können - zum Beispiel eine Scombroid-Lebensmittelvergiftung.

"Bemerkenswert ist, dass die Sensoren auch eine schnelle Reaktionszeit von 33 Minuten zeigten, ohne dass eine Vorkennzeichnung und Vorbehandlung der Fischprobe erforderlich ist. Das ist um einiges schneller als die entsprechenden Labortests".

Die Forscher fanden auch heraus, dass die Empfindlichkeit des Biosensors durch die unspezifische Adsorption von großen Proteinmolekülen, die häufig in Lebensmittelproben vorkommen und als Blockiermittel verwendet werden, nicht signifikant beeinträchtigt wird.

Der leitende Autor Dr. Jonathan Claussen von der Iowa State University sagte: "Wir haben eine aerosolstrahlbedruckbare Graphen-Tinte entwickelt, um eine effiziente Untersuchung verschiedener Geräte-Designs zu ermöglichen, was für die Optimierung der Sensorreaktion entscheidend war: "Diese Art Biosensor könnte in Lebensmittelverarbeitungsanlagen, Import- und Exporthäfen und Supermärkten eingesetzt werden, wo eine kontinuierliche Vor-Ort-Überwachung von Lebensmittelproben erforderlich ist. Durch diese Vor-Ort-Untersuchung entfällt die Notwendigkeit, Lebensmittelproben zur Laboruntersuchung zu schicken, was zusätzliche Handhabungsschritte erfordert, den Zeit- und Kostenaufwand für die Histamin-Analyse erhöht und folglich das Risiko lebensmittelbedingter Krankheiten und Lebensmittelverluste erhöht.

"Er könnte wahrscheinlich auch in anderen Biosensor-Anwendungen eingesetzt werden, bei denen eine schnelle Überwachung von Zielmolekülen erforderlich ist, da die Vorbehandlung der Probe durch das entwickelte Immunosensor-Protokoll entfällt. Abgesehen von der Erfassung kleiner Allergenmoleküle wie Histamin könnte es auch zum Nachweis verschiedener Zielmoleküle wie Zellen und Protein-Biomarker verwendet werden. Indem der auf der Sensorplattform immobilisierte Antikörper auf einen Antikörper umgestellt wird, der spezifisch für den Nachweis geeigneter biologischer Zielspezies ist, kann der Sensor weiter auf spezifische Anwendungen ausgerichtet werden. Beispiele sind Lebensmittelpathogene (Salmonella spp.), tödliche Krankheiten beim Menschen (Krebs, HIV) oder Tier- oder Pflanzenkrankheiten (Vogelgrippe, Zitrus-Tristeza)".

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