Forskare i USA har utvecklat en grafenbaserad elektrokemisk sensor som kan upptäcka histaminer (allergener) och gifter i livsmedel mycket snabbare än vanliga laboratorietester.

Teamet använde aerosol-jet-utskrift för att skapa sensorn. Möjligheten att ändra mönstergeometri på begäran genom programvarukontroll möjliggjorde snabb prototypering och effektiv optimering av sensorlayouten.

Kommenterar resultaten, som publiceras idag i tidskriften IOP Publishing 2D-material , senior författare professor Mark Hersam, från Northwestern University, sade:"Vi utvecklade ett tryckbart grafenfärg för aerosolstråle för att möjliggöra effektiv undersökning av olika enhetsdesigner, vilket var avgörande för att optimera sensorsvaret."

Som en additiv tillverkningsmetod som bara deponerar material där det behövs och därför minimerar avfallet, aerosol-jet-tryckta sensorer är billiga, enkelt att göra, och bärbar. Detta skulle potentiellt kunna göra det möjligt att använda dem på platser där kontinuerlig övervakning på plats av livsmedelsprover behövs för att fastställa och upprätthålla kvaliteten på produkter, såväl som andra applikationer.

Senior författare professor Carmen Gomes, från Iowa State University, sa:"Aerosol-jet-utskrift var grundläggande för utvecklingen av denna sensor. Kolnanomaterial som grafen har unika materialegenskaper som hög elektrisk ledningsförmåga, ytarea, och biokompatibilitet som avsevärt kan förbättra prestandan hos elektrokemiska sensorer.

"Men, eftersom elektrokemiska sensorer på fältet vanligtvis är av engångstyp, de behöver material som är rimliga för låg kostnad, hög genomströmning, och skalbar tillverkning. Aerosol-jet-tryckning gav oss detta. "

Teamet skapade högupplösta interdigiterade elektroder (IDE) på flexibla substrat, som de konverterade till histaminsensorer genom att kovalent koppla monoklonala antikroppar till syrgasenheter som skapats på grafenytan genom en CO2 -termisk glödgningsprocess.

De testade sedan sensorerna i både en buffertlösning (PBS) och fiskbuljong, för att se hur effektiva de var på att upptäcka histaminer.

Medförfattare Kshama Parate, från Iowa State University, sade:"Vi fann att grafenbiosensorn kunde detektera histamin i PBS och fiskbuljong över toxikologiskt relevanta intervall på 6,25 till 100 delar per miljon (ppm) och 6,25 till 200 ppm, respektive, med liknande detektionsgränser på 2,52 ppm och 3,41 ppm, respektive. Dessa sensorresultat är betydande, eftersom histaminnivåer över 50 ppm i fisk kan orsaka negativa hälsoeffekter inklusive allvarliga allergiska reaktioner, till exempel scombroid matförgiftning.

"I synnerhet, sensorerna visade också en snabb svarstid på 33 minuter, utan behov av förmärkning och förbehandling av fiskprovet. Detta är mycket snabbare än motsvarande laboratorietester."

Forskarna fann också att biosensorns känslighet inte påverkades nämnvärt av den ospecifika adsorptionen av stora proteinmolekyler som vanligtvis finns i livsmedelsprover och används som blockeringsmedel.

Senior författare Dr Jonathan Claussen, från Iowa State University, sa:"Den här typen av biosensorer skulle kunna användas i livsmedelsbearbetningsanläggningar, import och export hamnar, och stormarknader där kontinuerlig övervakning på plats av livsmedelsprover behövs. Denna testning på plats kommer att eliminera behovet av att skicka matprover för laboratorietester, som kräver ytterligare hanteringssteg, ökar tid och kostnad för histaminanalys, och ökar följaktligen risken för matburna sjukdomar och matsvinn.

"Det kan sannolikt också användas i andra biosensing-applikationer där snabb övervakning av målmolekyler behövs, eftersom provet förbehandling elimineras med det utvecklade immunosensibla protokollet. Förutom att känna av små allergenmolekyler som histamin, den skulle kunna användas för att detektera olika mål såsom celler och proteinbiomarkörer. Genom att byta antikroppen som är immobiliserad på sensorplattformen till en som är specifik för detektering av lämpliga biologiska målarter, sensorn kan vidare tillgodose specifika tillämpningar. Exempel inkluderar matpatogener (Salmonella spp.), dödliga mänskliga sjukdomar (cancer, HIV) eller djur- eller växtsjukdomar (fågelinfluensa, Citrus tristeza)."