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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食物進行采樣，以檢查是否有變質(zhì)和細菌污染的跡象。圖片來源：Felice Frankel

麻省理工學院的工程師設計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食物進行采樣，以檢查是否有變質(zhì)和細菌污染的跡象。

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范圍的液體接觸時會變色，表明食物已變質(zhì)；另一個在感覺到諸如病原性大腸桿菌等污染細菌時變色。

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)傳感器上印有細菌感應生物墨水的部分從藍色變成了紅色，這清楚地表明魚已被污染。再過幾個小時后，對pH敏感的生物墨水也會變色，表明魚也變質(zhì)了。

該結果今天發(fā)表在《高級功能材料》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者扔出可能超出打印出的有效期但實際上仍可食用的食物。

麻省理工學院Paul M. Cook職業(yè)發(fā)展助理教授Benedetto Marelli說：“由于缺乏適當?shù)臉撕�，很多食物被浪費了，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，人們還會浪費大量食物，因為他們不確定食物是否受到污染。這樣的技術將使最終用戶有信心不浪費食物。”

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)傳感器上印有細菌感應生物墨水的部分從藍色變成了紅色-清楚地表明魚已被污染。再過幾個小時后，對pH敏感的生物墨水也會變色，表明魚也變質(zhì)了。

圖片提供：麻省理工學院的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（其實驗室利用絲綢的特性開發(fā)新技術）與Hart（其團隊開發(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，實現(xiàn)了可以實現(xiàn)低成本印刷電子產(chǎn)品和傳感器的微觀圖案。同時，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養(yǎng)。在交談中，研究人員想知道他們的技術是否可以配對以生產(chǎn)用于監(jiān)視食品安全的印刷食品傳感器。

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

該團隊希望創(chuàng)建一種可以穿透多種食物表面的傳感器。他們提出的設計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，并且其機械強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：麻省理工學院

更深入的檢測

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，每個微針長約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，該團隊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，研究人員將一種對大腸桿菌分子敏感的抗體混入一種生物墨水中。當抗體與該分子接觸時，它會改變形狀并物理推動周圍的聚合物，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菌時可以改變顏色。

研究人員制造了一種生物墨水，其中包含對大腸桿菌敏感的抗體，以及第二種對與腐敗相關的pH值敏感的生物墨水。他們將細菌感應生物墨水以字母“ 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”。兩個字母最初都顯示為藍色。

然后，Kim將孔隙嵌入每個微針中，以提高陣列通過毛細作用吸收液體的能力。為了測試新傳感器，他從當?shù)匾患译s貨店購買了幾片生魚片，并在每個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。他在每個魚片上塞了一個傳感器。然后，他等待著。

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

在左側，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：麻省理工學院

研究人員還發(fā)現(xiàn)，與僅檢測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法檢測到這些洞和洞�！� “因此，我們必須更深入地插入以提高檢測的可靠性。使用這種穿孔技術，我們也不必打開包裝來檢查食品質(zhì)量�！�

該團隊正在尋找加快微針對液體吸收以及生物墨水對污染物的感應的方法。優(yōu)化設計后，他們設想傳感器可以在供應鏈的各個階段使用，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）到可以選擇應用傳感器的消費者確保某些食物可以安全食用。