類似維可牢尼龍搭扣的食物傳感器由一系列絲綢微針制成，可以刺穿塑料包裝以對(duì)食物進(jìn)行采樣，以檢查是否有變質(zhì)和細(xì)菌污染的跡象。圖片來源：Felice Frankel

麻省理工學(xué)院的工程師設(shè)計(jì)了一種類似維可牢尼龍搭扣的食物傳感器，該傳感器由一系列絲綢微針制成，可刺穿塑料包裝以對(duì)食物進(jìn)行采樣，以檢查是否有變質(zhì)和細(xì)菌污染的跡象。

傳感器的微針是用蠶繭中的可食用蛋白質(zhì)溶液模制而成的，旨在將液體吸入傳感器的背面，并用兩種類型的專用墨水進(jìn)行印刷。這些“生物墨水”中的一種在與一定pH范圍的液體接觸時(shí)會(huì)變色，表明食物已變質(zhì)；另一個(gè)在感覺到諸如病原性大腸桿菌等污染細(xì)菌時(shí)變色。

研究人員將傳感器連接到生魚片上，該生魚片中注入了被大腸桿菌污染的溶液。不到一天后，他們發(fā)現(xiàn)傳感器上印有細(xì)菌感應(yīng)生物墨水的部分從藍(lán)色變成了紅色，這清楚地表明魚已被污染。再過幾個(gè)小時(shí)后，對(duì)pH敏感的生物墨水也會(huì)變色，表明魚也變質(zhì)了。

該結(jié)果今天發(fā)表在《高級(jí)功能材料》雜志上，是開發(fā)一種新的比色傳感器的第一步，該傳感器可以檢測(cè)食物變質(zhì)和污染的跡象。

這種智能食品傳感器可能有助于避免疾病爆發(fā)，例如最近洋蔥和桃子中沙門氏菌的污染。它們還可以防止消費(fèi)者扔出可能超出打印出的有效期但實(shí)際上仍可食用的食物。

麻省理工學(xué)院Paul M. Cook職業(yè)發(fā)展助理教授Benedetto Marelli說：“由于缺乏適當(dāng)?shù)臉?biāo)簽，很多食物被浪費(fèi)了，我們甚至不知道食物是否變質(zhì)而扔掉食物�！蓖聊九c環(huán)境工程�！耙咔楸�發(fā)后，人們還會(huì)浪費(fèi)大量食物，因?yàn)樗麄儾淮_定食物是否受到污染。這樣的技術(shù)將使最終用戶有信心不浪費(fèi)食物�！�

研究人員將傳感器連接到生魚片上，該魚片中注入了被大腸桿菌污染的溶液。不到一天后，他們發(fā)現(xiàn)傳感器上印有細(xì)菌感應(yīng)生物墨水的部分從藍(lán)色變成了紅色-清楚地表明魚已被污染。再過幾個(gè)小時(shí)后，對(duì)pH敏感的生物墨水也會(huì)變色，表明魚也變質(zhì)了。

圖片提供：麻省理工學(xué)院的Jose-Luis Olivares。傳感器紋理由研究人員提供

絲綢和印花

新型食品傳感器是Marelli（其實(shí)驗(yàn)室利用絲綢的特性開發(fā)新技術(shù)）與Hart（其團(tuán)隊(duì)開發(fā)新的制造工藝）之間合作的產(chǎn)物。

Hart最近開發(fā)了一種高分辨率的絮凝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了可以實(shí)現(xiàn)低成本印刷電子產(chǎn)品和傳感器的微觀圖案。同時(shí)，馬瑞利（Marelli）開發(fā)了一種基于絲綢的微針印章，該印章能夠滲透并向植物輸送營(yíng)養(yǎng)。在交談中，研究人員想知道他們的技術(shù)是否可以配對(duì)以生產(chǎn)用于監(jiān)視食品安全的印刷食品傳感器。

“僅僅通過測(cè)量食物的表面來評(píng)估食物的健康通常是不夠的。在某些時(shí)候，貝內(nèi)代托提到了他的小組在植物上使用微針的工作，我們意識(shí)到我們可以結(jié)合我們的專業(yè)知識(shí)來制造更有效的傳感器，”哈特回憶說。

該團(tuán)隊(duì)希望創(chuàng)建一種可以穿透多種食物表面的傳感器。他們提出的設(shè)計(jì)包括一系列由絲綢制成的微針。

Marelli說：“絲綢是完全可食用的，無毒的，并且可以用作食品成分，并且其機(jī)械強(qiáng)度足以穿透各種組織類型，例如肉，桃子和生菜�！�

該示意圖說明了擬議的食品質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用帶有打印生物墨水的絲綢微針陣列作為比色傳感器。圖片來源：麻省理工學(xué)院

更深入的檢測(cè)

為了制造新的傳感器，Kim首先制備了一種絲素蛋白溶液（一種從飛蛾繭中提取的蛋白質(zhì)），然后將溶液倒入硅膠微針模具中。干燥后，他剝?nèi)チ怂�得的微針陣列，每個(gè)微針長(zhǎng)約1.6毫米，寬約600微米，大約是意大利面條線直徑的三分之一。

然后，該團(tuán)隊(duì)為兩種生物墨水開發(fā)了解決方案-可以與其他傳感成分混合的變色可印刷聚合物。在這種情況下，研究人員將一種對(duì)大腸桿菌分子敏感的抗體混入一種生物墨水中。當(dāng)抗體與該分子接觸時(shí)，它會(huì)改變形狀并物理推動(dòng)周圍的聚合物，從而改變生物墨水吸收光的方式。這樣，生物墨水在感覺到污染細(xì)菌時(shí)可以改變顏色。

研究人員制造了一種生物墨水，其中包含對(duì)大腸桿菌敏感的抗體，以及第二種對(duì)與腐敗相關(guān)的pH值敏感的生物墨水。他們將細(xì)菌感應(yīng)生物墨水以字母“ E”的形式印刷在微針陣列的表面，然后在其旁邊將pH敏感生物墨水印刷為“ C”。兩個(gè)字母最初都顯示為藍(lán)色。

然后，Kim將孔隙嵌入每個(gè)微針中，以提高陣列通過毛細(xì)作用吸收液體的能力。為了測(cè)試新傳感器，他從當(dāng)?shù)匾患译s貨店購(gòu)買了幾片生魚片，并在每個(gè)魚片中注入了含有大腸桿菌，沙門氏菌的液體或不含任何污染物的液體。他在每個(gè)魚片上塞了一個(gè)傳感器。然后，他等待著。

大約16小時(shí)后，研究小組觀察到，僅在被大腸桿菌污染的魚片中，“ E”從藍(lán)色變?yōu)榧t色，表明該傳感器可準(zhǔn)確檢測(cè)出細(xì)菌抗原。再過幾個(gè)小時(shí)后，所有樣品中的“ C”和“ E”都變成紅色，表明每個(gè)菲力都變質(zhì)了。

在左側(cè)，您可以看到具有100針的微針陣列的示例。右邊是單針的SEM圖像。圖片來源：麻省理工學(xué)院

研究人員還發(fā)現(xiàn)，與僅檢測(cè)食物表面病原體的現(xiàn)有傳感器相比，他們的新型傳感器指示污染和變質(zhì)的速度更快。

金說：“食物中有許多洞和洞，其中嵌入了病原體，表面?zhèn)鞲衅鳠o法檢測(cè)到這些洞和洞。” “因此，我們必須更深入地插入以提高檢測(cè)的可靠性。使用這種穿孔技術(shù)，我們也不必打開包裝來檢查食品質(zhì)量。”

該團(tuán)隊(duì)正在尋找加快微針對(duì)液體吸收以及生物墨水對(duì)污染物的感應(yīng)的方法。優(yōu)化設(shè)計(jì)后，他們?cè)O(shè)想傳感器可以在供應(yīng)鏈的各個(gè)階段使用，從加工廠的操作員（可以使用傳感器監(jiān)視產(chǎn)品出廠之前的操作者）到可以選擇應(yīng)用傳感器的消費(fèi)者確保某些食物可以安全食用。