Aerosol Jet Printing zur Herstellung eines kostengünstigen Lebensmittel-Sensors

US-Forscher haben die Aerosol Jet Printing (AJP)-Technologie des in New Mexico ansässigen 3D-Druckerherstellers Optomec genutzt, um einen auf Graphen basierenden elektrochemischen Sensor zur Prüfung von Lebensmitteln zu entwickeln.

Zufolge der Studie ist der Sensor in der Lage, Histamine (Allergene) und Toxine in Lebensmitteln viel schneller zu erkennen als herkömmliche Labortests. Die Möglichkeit, die Geometrie des 3D-Druckmusters bei Bedarf durch Softwaresteuerung zu ändern, ermöglichte es den Forschern, den Sensor schnell als Prototyp zu entwickeln und gleichzeitig sein Layout zu optimieren.

Die Autoren der Studie stellen fest, dass AJP-Sensoren kostengünstig und einfach herzustellen sind, da AJP nur dort eingesetzt wird, wo es benötigt wird, und somit den Abfall minimiert. Diese Eigenschaften könnten möglicherweise Anwendungen für gedruckte AJP-3D-Sensoren an Orten ermöglichen, an denen eine kontinuierliche Vor-Ort-Überwachung von Lebensmittelproben erforderlich ist, um die Qualität von Produkten zu bestimmen und aufrechtzuerhalten, sowie andere Anwendungen. Insbesondere Graphen wurde als ein geeignetes Material identifiziert, da es “einzigartige Materialeigenschaften wie hohe elektrische Leitfähigkeit, Oberfläche und Biokompatibilität aufweist, die das Potenzial haben, die Leistung elektrochemischer Sensoren erheblich zu verbessern”.

Daher entschieden sich die Forscher für den Einsatz von Optomecs AJ200 AJP-System, um eine Tinte auf Graphenbasis in einem IDE-Muster (Interdigitated Electrode) in 3D auf ein flexibles Polyimidsubstrat zu drucken. Die hochauflösende IDE wurde dann in Histamin-Sensoren umgewandelt, indem monoklonale Antikörper kovalent mit Sauerstoffanteilen verbunden wurden, die auf der Graphen-Oberfläche durch einen thermischen CO2-Glühprozess erzeugt wurden. Die Sensoren wurden dann sowohl in einer Pufferlösung (PBS) als auch in Fischbrühe getestet, um festzustellen, wie effektiv sie Histamine nachweisen können.

Die Forscher stellten fest, dass der 3D gedruckte Graphen-Biosensor in der Lage war, Histamin in PBS und Fischbrühe über toxikologisch relevante Bereiche von 6,25 bis 100 ppm (parts per million) bzw. 6,25 bis 200 ppm nachzuweisen, mit ähnlichen Nachweisgrenzen von 2,52 ppm bzw. 3,41 ppm.

Koautorin Kshama Parate von der Iowa State University erklärt, dass “diese Sensorergebnisse signifikant sind, da Histamingehalte über 50 ppm in Fisch negative gesundheitliche Auswirkungen haben können, einschließlich schwerer allergischer Reaktionen – zum Beispiel eine Scombroid-Lebensmittelvergiftung. Bemerkenswert ist, dass die Sensoren auch eine schnelle Ansprechzeit von 33 Minuten zeigten, ohne dass eine Vorbeschriftung und Vorbehandlung der Fischprobe erforderlich war. Das ist um einiges schneller als die entsprechenden Labortests”.

Der leitende Autor Dr. Jonathan Claussen von der Iowa State University ergänzte “Diese Art Biosensor könnte in Lebensmittelverarbeitungsanlagen, Import- und Exporthäfen und Supermärkten eingesetzt werden, wo eine kontinuierliche Vor-Ort-Überwachung von Lebensmittelproben erforderlich ist. Durch diese Vor-Ort-Untersuchung entfällt die Notwendigkeit, Lebensmittelproben für Laboruntersuchungen zu schicken, was zusätzliche Schritte erfordert, den Zeit- und Kostenaufwand für die Histaminanalyse erhöht und folglich das Risiko lebensmittelbedingter Krankheiten und Lebensmittelverluste erhöht”.

Das Paper mit dem Titel “Aerosol-jet-printed graphene electrochemical histamine sensors for food safety monitoring” erschien in2D Materials. Autoren sind Kshama Parate, Cícero C Pola, Sonal V Rangnekar, Deyny L Mendivelso-Perez, Emily A Smith, Mark C Hersam, Carmen L Gomes und Jonathan C Claussen.