حسگر مواد غذایی شبیه به ولکرو، فساد و آلودگی را تشخیص می‌دهد

منتشرشده در وبلاگ MIT به تاریخ ۹ سپتامبر ۲۰۲۰لینک مقاله اصلی: Velcro-like food sensor detects spoilage and contaminationمهندسان MIT یک حسگر غذایی شبیه ولکرو طراحی کرده‌اند، که از یک سری میکرونیدل‌های ابریشمی ساخته‌شده. این میکرونیدل‌ها بسته‌بندی پلاستیکی را سوراخ کرده و از ماده غذایی نمونه‌برداری می‌کنند تا آن را برای نشانه‌های فساد و آلودگی آزمایش کنند.میکرونیدل‌های سنسور از محلول پروتئین‌های خوراکی موجود در پیله ابریشمی شکل می‌گیرند و برای کشیدن مایع به پشت سنسور طراحی شده‌اند، که با دو نوع جوهر ویژه چاپ می‌شود. یکی از این «جوهرهای زیستی» در تماس با مایعی با یک محدوده pH مشخص، تغییر رنگ می‌دهد و نشان می‌دهد که غذا فاسد شده‌است؛ دیگری هنگامی که باکتری‌های آلوده‌ای مانند اشریشیا کلی بیماریزا را حس می‌کند، تغییر رنگ می‌دهد.محققان سنسور را به فیله ماهی خامی متصل کردند که به آن محلولی آلوده به باکتری ای کولای تزریق کرده بودند. بعد از کم‌تر از یک روز، آن‌ها دریافتند که بخشی از سنسور که با جوهر زیستی حساس به باکتری چاپ شده بود، از آبی به قرمز تغییر رنگ داده‌است-نشانه‌ای واضح از آلودگی ماهی. بعد از چند ساعت دیگر، جوهر زیستی حساس به pH نیز تغییر رنگ داد و نشان داد که ماهی فاسد نیز شده‌است.نتایج، که امروز در مجله مواد عملکردی پیشرفته منتشر شد، اولین گام به سوی ایجاد یک سنسور رنگ‌سنجی جدید است که می‌تواند نشانه‌های فساد و آلودگی مواد غذایی را تشخیص دهد.چنین سنسورهای هوشمند مواد غذایی ممکن است به جلوگیری از شیوع بیماری مانند آلودگی اخیر سالمونلا در پیاز و هلو کمک کند. آن‌ها همچنین می‌توانند مانع از این شوند که مصرف کنندگان آن دسته از مواد غذایی که تاریخ انقضایشان گذشته اما هنوز هم قابل استفاده هستند را بیرون بیندازند.بنودتو مارلی، استادیار توسعه شغلی پاول ام کوک در دپارتمان مهندسی عمران و محیط‌زیست MIT می‌گوید: «مواد غذایی زیادی وجود دارند که به خاطر عدم برچسب گذاری مناسب هدر می‌روند، و ما بدون اینکه حتی بدانیم فاسد شده‌اند یا خیر غذا را دور می‌ریزیم.» او گفت: مردم همچنین پس از شیوع بیماری مقدار زیادی غذا هدر می‌دهند، چون مطمئن نیستند که غذا واقعا آلوده است یا خیر. چنین فن‌آوری به کاربر نهایی اطمینان می‌دهد که مواد غذایی را هدر ندهد.ابریشم و چاپحسگر غذای جدید محصول یک هم‌کاری است بین مارلی، که آزمایشگاه او برای توسعه فن‌آوری‌های جدید، ویژگی‌های ابریشم را تحت کنترل درمی‌آورد، و هارت، که گروه او فرآیندهای تولیدی جدیدی را توسعه می‌دهد.هارت اخیرا یک تکنیک فلوکسوگرافی با وضوح بالا را توسعه داد، و الگوهای میکروسکوپی را شناسایی کرد که می‌تواند منجر به لوازم الکترونیکی پرینتی و سنسورهای کم‌هزینه شود. در همین حال، مارلی یک تمبر میکرونیدل بر پایه ابریشم تهیه کرده بود که به گیاهان نفوذ می‌کند و مواد مغذی را به آن‌ها می‌رساند. در گفتگو، محققان در این فکر بودند که آیا می‌توان تکنولوژی‌های آن‌ها را برای تولید یک حسگر غذایی چاپ‌شده که بر ایمنی مواد غذایی نظارت داشته باشد، با هم جفت کرد.هرت این جملات را به یاد می‌آورد: «ارزیابی سلامت غذا تنها با اندازه‌گیری عوامل سطح آن اغلب به اندازه کافی خوب نیست. در جایی، بنودتو به کار میکرونیدل گروهش با گیاهان اشاره کرد و ما متوجه شدیم که می‌توانیم تخصص خود را برای ایجاد یک حسگر موثرتر ترکیب کنیم.»این تیم به دنبال ایجاد حسگری بود که بتواند در سطح بسیاری از انواع مواد غذایی نفوذ کند. طرحی که آن‌ها مطرح کردند شامل ردیفی از میکرونیدل‌های ساخته‌شده از ابریشم بود.مارلی می‌گوید: « ابریشم کاملا خوراکی و غیر سمی است و می‌تواند به عنوان یک جزء تشکیل‌دهنده غذا مورد استفاده قرار گیرد و به اندازه کافی از نظر مکانیکی مقاوم هست که از طیف وسیعی از انواع بافت‌ها مانند گوشت، هلو و کاهو عبور کرده و به داخل آن‌ها نفوذ کند.»تشخیص عمیق‌تربرای ساخت حسگر جدید، کیم ابتدا یک محلول از ابریشم فیبروئین، یک پروتئین استخراج‌شده از پیله شب‌پره، ساخت و محلول را در یک قالب سیلیکون میکرونیدل ریخت. بعد از خشک شدن، او ردیف حاصل از میکرونیدل ها را از بین برد، هر کدام حدود ۱.۶ میلی متر طول و ۶۰۰ میکرون عرض داشتند-حدود یک سوم قطر یک رشته اسپاگتی.سپس این تیم راه‌حل‌هایی را برای دو نوع جوهر زیستی توسعه داد - پلیمرهای قابل چاپ با تغییر رنگ که می‌توانند با دیگر اجزای سنجش مخلوط شوند. در این مورد، محققان یک آنتی‌بادی که به یک مولکول در باکتری ای کولای حساس است را با جوهر زیستی ترکیب کردند. وقتی آنتی‌بادی در تماس با آن مولکول قرار می‌گیرد، تغییر شکل تغییر می‌دهد و به طور فیزیکی بر روی پلیمر اطراف فشار می‌آورد، که به نوبه خود روش جذب نور توسط جوهر زیستی را تغییر می‌دهد. به این ترتیب، جوهر زیستی می‌تواند زمانی که وجود باکتری آلوده‌کننده را حس می‌کند، تغییر رنگ دهد.محققان یک جوهر زیستی حاوی آنتی‌بادی‌های حساس به ای کولای و یک جوهر زیستی حساس به سطوح PH که مرتبط با فساد است، ایجاد کردند. آن‌ها این جوهرهای زیستی حساس به باکتری‌ها را بر روی سطح آرایه میکرونیدل، در الگوی حرف «E» چاپ کردند و بعد از آن جوهر زیستی حساس به pH را به شکل حرف «C» چاپ کردند. هر دو حرف ابتدا به رنگ آبی بودند.سپس کیم حفره‌هایی درون هر میکرونیدل تعبیه کرد تا توانایی آرایه برای جذب مایع از طریق عمل مویینگی را افزایش دهد. برای تست سنسور جدید، او چندین فیله ماهی خام را از یک خواربار فروشی محلی خرید و به هریک از فیله‌ها یک مایع حاوی اشریشیا کلی، سالمونلا یا مایع بدون هیچ گونه آلودگی تزریق کرد. او یک سنسور داخل هر کدام قرار داد. سپس منتظر ماند.بعد از حدود ۱۶ ساعت، تیم مشاهده کرد که حرف «E» تنها در فیله آلوده به باکتری ای کولای، از آبی به قرمز تغییر رنگ داد، که نشان می‌دهد سنسور به دقت آنتی‌ژن‌های باکتریایی را تشخیص داده. بعد از چند ساعت، هر دو حرف «C» و «E» در تمام نمونه‌ها قرمز شدند که نشان می‌دهد هر فیله فاسد شده‌است.محققان همچنین دریافتند که حسگر جدید آن‌ها آلودگی و فساد را سریع‌تر از سنسورهای موجودی نشان می‌دهد که تنها پاتوژن های موجود در سطح مواد غذایی را تشخیص می‌دهند.کیم می‌گوید: « حفره‌ها و سوراخ‌های زیادی در مواد غذایی وجود دارد که عوامل بیماری زا در آن‌ها تعبیه شده‌اند و سنسورهای سطحی نمی‌توانند آن‌ها را تشخیص دهند. بنابراین ما باید برای بهبود قابلیت اطمینان تشخیص، میکرونیدل را کمی عمیق‌تر فرو ببریم. با استفاده از این روش دقیق، ما همچنین نیازی به باز کردن بسته‌ای برای بازرسی کیفیت غذا نداریم».این تیم به دنبال راه‌هایی برای سرعت بخشیدن به جذب مایع توسط میکرونیدل ها و نیز سنجش آلاینده‌های زیستی است. هنگامی که طراحی بهینه شد، آن‌ها مشاهده کردند که حسگر می‌تواند در مراحل مختلف در طول زنجیره تامین استفاده شود؛ از اپراتورها در کارخانه‌های پردازش، که می‌توانند از این حسگرها برای نظارت بر محصولات قبل از ارسال به خارج استفاده کنند، تا مصرف کنندگانی که ممکن است انتخاب کنند که از این سنسورها بر روی غذاهای خاص استفاده کنند تا مطمئن شوند که خوردن آن‌ها ایمن است.این متن با استفاده از ربات ترجمه مقاله علمی ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.