麻省理工学院的魔术贴式食品传感器可检测腐败和污染–可以帮助阻止疾病暴发并避免食品浪费

类似维可牢尼龙搭扣的食物传感器由一系列的丝绸微针制成，可以刺穿塑料包装以取样食物，以检查是否有变质和细菌污染的迹象。

多种颜色的丝绸微针可以帮助阻止疾病爆发并避免食物浪费。

麻省理工学院的工程师设计了一种类似维可牢尼龙搭扣的食物传感器，该传感器由一系列的丝绸微针制成，可刺穿塑料包装以对食物进行采样，以检查是否有腐败和细菌污染的迹象。

传感器的微针是用蚕茧中的可食用蛋白质溶液模制而成的，旨在将液体吸入传感器的背面，并用两种特殊的墨水进行印刷。这些“生物墨水”中的一种在与一定pH范围的液体接触时会变色，表明食物已变质。另一个在感觉到诸如病原性大肠杆菌等污染细菌时变色。

研究人员将传感器连接到生鱼片上，该鱼片上注入了被大肠杆菌污染的溶液。不到一天后，他们发现传感器上印有细菌感应生物墨水的部分从蓝色变成了红色-清楚地表明鱼已被污染。再过几个小时后，对pH敏感的生物墨水也会变色，表明鱼也变质了。

该结果于今天（2020年9月9日）发表在《高级功能材料》杂志上，是开发一种新的比色传感器的第一步，该传感器可以检测食物变质和污染的迹象。

研究人员将传感器连接到生鱼片上，该鱼片上注入了被大肠杆菌污染的溶液。不到一天后，他们发现传感器上印有细菌感应生物墨水的部分从蓝色变成了红色-清楚地表明鱼已被污染。再过几个小时后，对pH敏感的生物墨水也会变色，表明鱼也变质了。

这种智能食品传感器可能有助于防止疾病暴发，例如最近洋葱和桃子中的沙门氏菌污染。它们还可以防止消费者扔出可能超出打印出的有效期但实际上仍可食用的食物。

麻省理工学院（MIT）系Paul M. Cook职业发展助理教授Benedetto Marelli说：“由于缺乏适当的标签，很多食物被浪费了，我们甚至不知道食物是否变质而扔掉食物。”土木与环境工程。“疫情爆发后，人们还会浪费很多食物，因为他们不确定食物是否受到污染。这样的技术将使最终用户有信心不浪费食物。”

Marelli在论文上的合著者是Doyoon Kim，Yunteng Cao，Dhanushkodi Mariappan，Michael S. Bono Jr.和A. John Hart。

丝绸和印花

新型食品传感器是Marelli（其实验室利用丝绸的特性开发新技术）与Hart（其团队开发新的制造工艺）之间合作的产物。

Hart最近开发了一种高分辨率的絮凝技术，实现了可以实现低成本印刷电子产品和传感器的微观图案。同时，马瑞利（Marelli）开发了一种基于丝绸的微针图章，该图章可以渗透并向植物输送营养。在交谈中，研究人员想知道他们的技术是否可以配对以生产用于监视食品安全的印刷食品传感器。

该示意图说明了拟议的食品质量监控系统，该系统使用带有打印生物墨水的丝绸微针阵列作为比色传感器。

仅通过测量食物的表面来评估食物的健康通常是不够的。在某个时候，贝内代托提到了他的小组在植物上使用微针的工作，我们意识到我们可以结合我们的专业知识来制造更有效的传感器。哈特回忆道。

该团队希望创造一种可以穿透多种食物表面的传感器。他们提出的设计包括一系列由丝绸制成的微针。

Marelli说：“丝绸是完全可食用的，无毒的，并且可以用作食品成分，并且具有足够的机械强度，可以穿透各种组织类型，例如肉，桃子和生菜。”

更深入的检测

为了制造新的传感器，Kim首先制备了一种丝素蛋白溶液（一种从飞蛾茧中提取的蛋白质），然后将溶液倒入硅胶微针模具中。干燥后，他剥去了所得的微针阵列，每个微针长约1.6毫米，宽约600微米，大约是意大利面条线直径的三分之一。

然后，该团队为两种生物墨水开发了解决方案-可以与其他传感成分混合的变色可印刷聚合物。在这种情况下，研究人员将一种对大肠杆菌分子敏感的抗体混入一种生物墨水中。当抗体与该分子接触时，它会改变形状并物理推动周围的聚合物，从而改变生物墨水吸收光的方式。这样，生物墨水在感觉到污染细菌时可以改变颜色。

在左侧，您可以看到具有100针的微针阵列的示例。右边是单针的SEM图像。

研究人员制造了一种生物墨水，其中包含对大肠杆菌敏感的抗体，以及第二种对与腐败相关的pH值敏感的生物墨水。他们将细菌敏感生物墨水以字母“ E”的形式印刷在微针阵列的表面，然后在其旁边将pH敏感生物墨水印刷为“ C”。两个字母最初都显示为蓝色。

然后，Kim将孔隙嵌入每个微针中，以提高阵列通过毛细作用吸收液体的能力。为了测试这种新传感器，他从当地一家杂货店购买了几片生鱼片，并向每片鱼片注入了含有大肠杆菌，沙门氏菌的液体或不含任何污染物的液体。他在每个鱼片上插入了一个传感器。然后，他等待着。

大约16小时后，研究小组观察到“ E”仅在被大肠杆菌污染的鱼片中从蓝色变为红色，表明该传感器准确地检测到了细菌抗原。再过几个小时后，所有样品中的“ C”和“ E”都变成红色，表明每个鱼片都变质了。

研究人员还发现，与仅检测食物表面病原体的现有传感器相比，他们的新型传感器指示污染和变质的速度更快。

Kim说：“食物中有很多洞和洞，其中嵌入了病原体，而表面传感器无法检测到这些洞和洞。”“因此，我们必须更深入地插入以提高检测的可靠性。使用这种穿孔技术，我们也不必打开包装来检查食品质量。”

该小组正在寻找加快微针对液体吸收以及生物墨水对污染物的感应的方法。优化设计后，他们设想传感器可以在供应链的各个阶段使用，从加工厂的操作员（可以使用传感器监视产品出厂之前的操作者）到可以选择应用传感器的消费者确保某些食物可以安全食用。

参考：Doyoon Kim，Yunteng Cao，Dhanushkodi Mariappan，Michael S.Bono Jr.，A.John Hart和Benedetto Marelli的“食品供应链中细菌采样和传感的微针技术”，2020年9月9日，先进功能材料。DOI：
10.1002 / adfm.202005370

这项研究得到了MIT Abdul Latif Jameel水与食物系统实验室（J-WAFS），美国国家科学基金会和美国海军研究办公室的部分支持。