MIT-ingenjörer har designat en kardborreliknande matsensor, gjorda 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 utformade för att dra vätska in i sensorns baksida, som är tryckt med två typer av specialiserat bläck. Ett av dessa "biobläck" ändrar färg när det kommer i kontakt med vätska inom ett visst pH-område, indikerar att maten har blivit förstörd; den andra får färg när den känner av förorenande bakterier som patogena E. coli.

Forskarna fäste sensorn på en fil av rå fisk som de hade injicerat med en lösning kontaminerad med E. coli. Efter mindre än ett dygn, de fann 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, det pH-känsliga biobläcket ändrade också färg, signalerar att fisken också hade blivit bortskämd.

Resultaten, publiceras idag i tidskriften Avancerade funktionella material , är ett första steg mot att utveckla en ny kolorimetrisk sensor som kan upptäcka tecken på matförstöring och förorening.

Sådana smarta matsensorer kan hjälpa till att avvärja utbrott som den senaste tidens salmonellakontamination i lök och persikor. De kan också hindra konsumenter från att slänga mat som kan ha passerat ett utskrivet utgångsdatum, men är faktiskt fortfarande förbrukningsbar.

"Det finns mycket mat som går till spillo på grund av bristen på korrekt märkning, och vi slänger mat utan att ens veta om den är bortskämd eller inte, " säger Benedetto Marelli, Paul M. Cook Karriärutveckling biträdande professor vid MIT:s institution 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.

Siden 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, realisera mikroskopiska mönster som kan möjliggöra lågkostnadstryckt elektronik och sensorer. Under tiden, Marelli hade utvecklat en silkesbaserad mikronålstämpel som penetrerar och levererar näring till växter. I konversation, forskarna undrade om deras teknologier kunde paras ihop för att producera en tryckt matsensor som övervakar livsmedelssäkerhet.

"Att bedöma matens hälsa genom att bara mäta dess yta är ofta inte tillräckligt bra. Vid något tillfälle, Benedetto nämnde 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, giftfri, och kan användas som livsmedelsingrediens, och den är mekaniskt robust nog att penetrera genom ett stort spektrum av vävnadstyper, som kött, persikor, och sallad, säger Marelli.

En djupare upptäckt

För att göra den nya sensorn, Kim gjorde först en lösning av silkesfibroin, ett protein extraherat från malkokonger, och hällde lösningen i en mikronålsform av silikon. Efter torkning, han skalade bort den resulterande mängden mikronålar, var och en mäter 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 detta fall, forskarna blandade i ett biobläck en antikropp som är känslig för en molekyl i E. coli. När antikroppen kommer i kontakt med den molekylen, det ändrar form och trycker fysiskt på den omgivande polymeren, vilket i sin tur förändrar hur biobläcket absorberar ljus. På det här sättet, biobläcket kan ändra färg när det känner av kontaminerande bakterier.

Forskarna gjorde ett biobläck innehållande antikroppar 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 som de tryckte 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, han köpte flera filéer av rå fisk från en lokal livsmedelsbutik och injicerade varje fil med en vätska som innehöll antingen E. coli, Salmonella, eller vätskan utan föroreningar. Han stack in en sensor i varje fil. Sedan, han väntade.

Efter cirka 16 timmar, teamet observerade att "E" blev från blått till rött, endast i filén som är förorenad med E. coli, vilket indikerar att sensorn detekterade de bakteriella antigenerna exakt. Efter ytterligare några timmar, både "C" och "E" i alla prover blev röda, vilket tyder på att varje fil hade blivit bortskämd.

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 håligheter 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 av upptäckten. Med hjälp av denna piercingteknik, vi behöver inte heller öppna ett paket för att kontrollera matens kvalitet."

Teamet letar efter sätt att påskynda mikronålarnas absorption av vätska, samt biobläckens avkänning av föroreningar. När designen är optimerad, de föreställer sig att sensorn skulle kunna användas i olika skeden längs leveranskedjan, från operatörer i bearbetningsanläggningar, vem kan använda sensorerna för att övervaka produkter innan de skickas ut, till konsumenter som kan välja att applicera sensorerna på vissa livsmedel för att säkerställa att de är säkra att äta.