这种类似 Velcro 的食物传感器由一系列丝质微针制成，可以刺穿塑料包装，对食物进行采样，以寻找变质和细菌污染的迹象。图片来源：Felice Frankel
丝绸微针的变色阵列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 Velcro 的食物传感器，由一系列丝质微针制成，可刺穿塑料包装，对食物进行取样，以寻找腐败和细菌污染的迹象。
传感器的微针由蚕茧中的可食用蛋白质溶液模制而成，旨在将流体吸入传感器背面，传感器背面印有两种特殊墨水。其中一种“生物墨水”在与特定 pH 值范围的液体接触时会变色，这表明食物已经变质；另一个在感应到诸如致病大肠杆菌等污染细菌时会变色。大肠杆菌 .
研究人员将传感器安装在一片生鱼片上，他们注射了一种被 E 污染的溶液。大肠杆菌。 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为红色——这是鱼被污染的明显迹象。 再过几个小时，对 pH 敏感的生物墨水也变色了，表明鱼也变质了。
结果于今天（2020 年 9 月 9 日）发表在 Advanced Functional Materials 杂志上 ，是开发新的比色传感器的第一步，该传感器可以检测食品腐败和污染的迹象。
研究人员将传感器连接到他们注射了被大肠杆菌污染的溶液的生鱼片上。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为红色——这是鱼被污染的明显迹象。再过几个小时后，对 pH 敏感的生物墨水也变色，表明鱼也变质了。
图片来源：麻省理工学院 Jose-Luis Olivares。传感器纹理由研究人员提供
这种智能食品传感器可能有助于阻止爆发，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丢弃可能已超过打印的保质期但实际上仍可食用的食品。
“由于缺乏适当的标签，有很多食物被浪费了，我们甚至在不知道食物是否变质的情况下就把食物扔掉了，”麻省理工学院的保罗 M. 库克职业发展助理教授 Benedetto Marelli 说土木与环境工程。 “人们在疫情爆发后也会浪费很多食物，因为他们不确定食物是否真的被污染了。像这样的技术会让最终用户有信心不浪费食物。”
Marelli 的论文合著者是 Doyoon Kim、Yunteng Cao、Dhanushkodi Mariappan、Michael S. Bono Jr. 和 A. John Hart。
丝绸和印刷
新的食品传感器是 Marelli 和 Hart 的合作产品，Marelli 的实验室利用丝绸的特性开发新技术。
Hart 最近开发了一种高分辨率胶印技术，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。与此同时，Marelli 开发了一种基于丝绸的微针印章，可以穿透植物并向植物输送营养。在交谈中，研究人员想知道是否可以将他们的技术结合起来生产用于监控食品安全的印刷食品传感器。
该示意图显示了拟议的食品质量监测系统，该系统使用带有印刷生物墨水的丝微针阵列作为比色传感器。来源：图片由研究人员提供
“仅通过测量其表面来评估食品的健康状况通常是不够的。在某个时候，Benedetto 提到了他的团队在植物方面的微针工作，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，”Hart 回忆道。
该团队希望创建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。
“丝绸完全可食用、无毒，可用作食品成分，而且它的机械强度足以穿透多种组织类型，如肉类、桃子和生菜，”Marelli 说。
更深入的检测
为了制造新的传感器，Kim 首先制作了一种丝素蛋白溶液，一种从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，他剥掉了微针阵列，每个微针长约 1.6 毫米，宽约 600 微米，约为意大利面条直径的三分之一。
然后，该团队开发了两种生物墨水的解决方案——可以与其他传感成分混合的变色可打印聚合物。在这种情况下，研究人员将一种对大肠杆菌中的分子敏感的抗体混合到一种生物墨水中。大肠杆菌 .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。通过这种方式，生物墨水在感应到污染细菌时可以改变颜色。
在左侧，您可以看到具有 100 根针头的微针阵列示例。右侧是单针的 SEM 图像。来源：图片由研究人员提供
研究人员制造了一种含有对大肠杆菌敏感的抗体的生物墨水。大肠杆菌 ，以及对与腐败相关的 pH 水平敏感的第二种生物墨水。他们将细菌感应生物墨水打印在微针阵列的表面，以字母“E”的图案打印，紧挨着他们将 pH 敏感生物墨水打印为“C”。这两个字母最初都是蓝色的。
然后，Kim 在每根微针中嵌入了孔隙，以增加阵列通过毛细作用吸取流体的能力。为了测试新传感器，他从当地一家杂货店买了几片生鱼片，并在每片鱼片上注射了含有 E 的液体。大肠杆菌 , 沙门氏菌, 或没有任何污染物的流体。他在每个鱼片上都插入了一个传感器。然后，他等了。
大约 16 小时后，团队观察到“E”从蓝色变为红色，仅在被 E 污染的鱼片中。大肠杆菌 ，说明传感器准确检测到细菌抗原。又过了几个小时，所有样品中的“C”和“E”都变红了，说明每条鱼片都变质了。
研究人员还发现，他们的新传感器比仅检测食品表面病原体的现有传感器更快地指示污染和腐败。
“食物中有许多空洞和洞洞，其中嵌入了病原体，而表面传感器无法检测到这些，”Kim 说。 “所以我们必须更深入地插入以提高检测的可靠性。使用这种穿刺技术，我们也不必打开包装来检查食品质量。”
该团队正在寻找加速微针吸收液体以及生物墨水感知污染物的方法。一旦设计得到优化，他们设想传感器可以用于供应链的各个阶段，从加工厂的操作员（他们可以在产品发货前使用传感器监控产品）到可能选择应用传感器的消费者以确保它们可以安全食用。
参考：Doyoon Kim、Yunteng Cao、Dhanushkodi Mariappan、Michael S. Bono Jr.、A. John Hart 和 Benedetto Marelli 撰写的“食品供应链中细菌采样和传感微针技术”，2020 年 9 月 9 日，Advanced功能材料 .
DOI：10.1002/adfm.202005370
这项研究得到了 MIT Abdul Latif Jameel 水和食品系统实验室 (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。
