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Velcroのような食品センサ、腐敗と汚染を検出

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February, 3, 2021, Cambridge--MITのエンジニアは、シルクのマイクロニードルでできたVelcroのような食品センサを設計した。これは、プラスチックパッケージを貫通して、食品の腐敗兆候、バクテリア汚染を抽出する。

そのセンサのマイクロニードルは、蚕の繭にある食べられるタンパク質溶液から成形している。また、液体をそのセンサの後部に注入する設計になっており、これは2種類の特殊インクでプリントされる。これら「バイオインク」の一つは、あるpH範囲に接触すると色を変え、食品が腐敗しているとを示す。もう1つは、それがE. coliのような病原菌を検知すると色を変える。

研究チームは、そのセンサを生魚のフィレに取り付けた。フィレには、研究チームがE. coliで汚染された溶液を注入してあった。1日も経たないで、バクテリアセンシングバイオインクでプリントされたそのセンサの部分が青から赤に変色した。その魚が汚染されていることの明確なサインである。さらに数時間後、pH感知バイオインクも変色し、その魚も汚染されていたことを示した。

Advanced Functional Materialsに発表された研究成果は、食品の腐敗や汚染を検出できる新しい比色センサ開発への最初のステップである。

新しい食品センサは、シルクの特性を利用して新技術を開発しているBenedetto Marelliと、新しい製造プロセスを開発しているA. John Hartとの共同の産物である。

Hartは先頃、.高分解能フロクソグラフィ技術を開発し、低コストプリントエレクトロニクスやセンサを可能にする微細パターンを実現した。一方、Marelliは、シルクベースのマイクロニードルスタンプを開発していた。これは植物を貫徹して栄養素をデリバリする。話し合いにより、研究者は、それらの技術を組み合わせて食品の安全をモニタするプリントされた食品センサを作製できるかどうかを考えた。

「表面を計測するだけで食品の健全性を評価することは、十分でないことがある。ある時点で、Benedettoは、同氏のマイクロニードルを植物に使うことを提案し、両者の専門技術を組み合わせることで、より効果的なセンサを作れることに気づいた」とHart は想起している。

チームは、多くの種類の食品の表面を貫徹するセンサを造ることを考えていた。チームが考えたいた設計は、シルクでできたマイクロニードルアレイでできている。

「シルクは、食べられ、非毒性であり、食品の成分としても利用できる。それは、広い範囲の組織タイプ、肉、モモ、レタスなどを貫通する機械的堅牢さがある」(Marelli)。

より深い検出
新しいセンサを造るために、Kimはまずシルクフィブロイン溶液、蛾の繭から抽出したタンパク質、さらにその溶液をシリコンマイクロニードルモールドに流し込んだ。乾燥させた後、結果としてのマイクロニードルアレイを剥がした。それぞれ1.6㎜長、600µm幅、スパゲッティストランド径の約1/3である。

次にチームは、2種類のバイオインク溶液を開発。他のセンシング要素と混ぜた、色が変わるプリント可能ポリマ。この場合は、研究チームは、一つのバイオインクに混ぜ、E. coliの分子に感度がある抗体にする。その抗体が、その分子と接触すると、それは形状が変わり、物理的に周囲のポリマを押し、それが次にバイオインクが光を吸収する方法を変える。この方法で、そのバイオインクは、汚染するバクテリアを検知すると色を変えることができる。

研究チームはE. coliに感度がある抗体を含むバイオインクを作り、pHレベルに感度がある第2のバイオインクは腐敗に関連している。チームは、マイクロニードルアレイの表面にバクテリアセンシングバイオインクを“E”パターンでプリントした。その隣に、pH感度があるバイオインクを“C.”としてプリントした。両方の文字は、最初は青色で顕れた。

Kimは、毛細管作用で液体を吸い上げるアレイの能力を高めるために個々のマイクロニードルに細孔を入れた。その新しいセンサをテストするために、近所の雑貨屋から生魚のフィレを購入し、各フィレにE. coliまたはサルモネラ菌を含む液体、あるいは汚染されていない液体を注入した。センサを各フィレに突き刺し、待った。

約16時間語、“E”が青から赤へ、E. coliで汚染されたフィレのみで変化し、そのセンサが細菌性抗原を正確に検出したことを示した。さらに数時間後、全てのサンプルの“C” と “E”が赤に変わり、全てのフィレが腐敗していたことを示した。

研究チームは、その新しいセンサが、食品表面の病原菌だけを検出する既存のセンサよりも速く汚染と腐敗を検出することを確認した。

「病原菌が埋もれている食品には多くのキャビティや孔があり、表面センサは、これらを検出できない。したがって、われわれは、検出の信頼度を改善するために、少し深く刺しこまなければならない。この穿刺技術を使うと、われわれはパッケージを開けて食品の品質を検査する必要がない」(Kim)。

研究チームは、マイクロニードルの液体吸収、バイオインクの汚染センシングをスピードアップする方法を探求ている。その設計が最適化されると、そのセンサは、サプライチェーンの様々な段階で利用できるようになる。

(詳細は、https://news.mit.edu)