Графеновый датчик находит токсины в пище

У углеродных наноматериалов наподобие графена есть ряд уникальных свойств, в числе которых высокая электропроводность и хорошая биосовместимость. Именно эти свойства помогли расширить возможности одноразовых электрохимических датчиков, которые служат для обнаружения в пище опасных для здоровья веществ.

Учёные из США  разработали электрохимический датчик на основе графена, используя аэрозольную струйную печать. Этот датчик гораздо быстрее стандартных лабораторных тестов находит токсины и гистамины в продуктах. Его использование в этих целях более целесообразно. Дело в том, что стандартные электрохимические датчики — одноразовые и поэтому использовать их постоянно слишком затратно. Традиционно используемые для мониторинга пищевых продуктов графеновые устройства, полученные методом низкотемпературного химического осаждения из пара, тоже чересчур дорогие для такого применения. В то же время недорогие альтернативы, например, трафаретная и струйная печать, не способны обеспечить достаточный контроль геометрии электрода для получения подходящих электрохимических характеристик датчика.

В то же время при нанесении аэрозольно-струйных чернил, разработанных специально в ходе исследования, опубликованного в IOP Publishing 2-D Materials, ученые смогли изменять геометрию шаблона с помощью программного управления. Благодаря этому команда быстро создавала прототипы и оптимизировала расположение датчиков. По словам авторов исследования, им было необходимо изучить различные конструкции, чтобы оптимизировать реакцию датчика.

Новые датчики на основе графена гораздо быстрее и эффективнее классических обнаруживают опасные для здоровья вещества в пище

Также в датчиках с аэрозольно-струйной печатью нужный материал наносится лишь в тех местах, где он необходим, а это сводит к минимуму производственные отходы и делает датчики недорогими и простыми в изготовлении. Благодаря этому они могут использоваться там, где важен постоянный контроль пищевых проб, чтобы мониторить качество продуктов.

В ходе исследования из графена были созданы встречно-штыревые гибкие электроды на подложке, после чего произошло их преобразование в гистаминовые датчики. Преобразование осуществлялось с помощью ковалентных связей моноклональных антител с остатками кислорода на поверхности графена.

Работу датчиков авторы исследования проверили не только в буферном растворе, но и в рыбном бульоне, чтобы убедиться в эффективности детектирования гистаминов.

Ученые обнаружили, что графеновый биосенсор способен детектировать гистамин в буферном растворе и рыбном бульоне в токсикологически значимых количествах — соответственно, это 6,25–100 ppm и 6,25–200 ppm с пределами 2,52 ч/млн и 3,41 ч/млн. Например, уровень гистамина в рыбе, превышающий 50 ч/млн, вызывает тяжелую аллергию у некоторых людей и даже пищевые отравления.

Также важно, что датчик демонстрирует малое время отклика: достаточно 33-х минут, причем предварительно обрабатывать образцы продуктов не требуется. Аналогичные лабораторные тесты работают дольше и требуют предварительной маркировки и обработки образцов. Кроме того, на чувствительность сенсора не повлияла адсорбция больших белковых молекул, которая часто выступает в качестве блокирующего агента в пищевых продуктах.

По словам одного из соавторов исследования, доктора Джонатана Клауссена из Университета штата Айова, созданный из графена новый тип биосенсора можно применять на предприятиях пищевой промышленности, в портах и в магазинах, где требуется постоянный контроль проб на местах. Его использование поможет избежать отправки образцов в лабораторию и, таким образом, сэкономит время и снизит стоимость анализа на содержание гистамина и токсинов в продуктах.