一款新型光等離子傳感器

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，弗勞恩霍夫（Fraunhofers）研究所及其合作伙伴參與了“MOLOKO”（Multiplex phOtonic sensor for pLasmonic-based Online detection of contaminants in milK，用于基于等離子體對(duì)牛奶中污染物的在線檢測(cè)的多重光傳感器）項(xiàng)目的一項(xiàng)乳制品作業(yè)，以制造可以在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)樣品的微流控芯片和光學(xué)器件。

帶有集成光源和檢測(cè)器的芯片，用于分析牛奶污染物

在德國及歐盟地區(qū)，對(duì)食品安全和食品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求正變得越來越高。在乳制品行業(yè)則更為嚴(yán)格。盡管要求很高，但微量雜質(zhì)、農(nóng)藥和抗生素仍會(huì)進(jìn)入牛奶中，有時(shí)會(huì)對(duì)消費(fèi)者的健康造成嚴(yán)重后果。

由歐盟資助的MOLOKO項(xiàng)目中，弗勞恩霍夫研究所的研究人員與合作伙伴合作開發(fā)了一款新型光等離子傳感器，旨在對(duì)牛奶的安全和質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行快速、現(xiàn)場(chǎng)分析。這一預(yù)警系統(tǒng)將節(jié)省大量的時(shí)間和金錢，并大大減少產(chǎn)品的浪費(fèi)，從而幫助優(yōu)化整個(gè)供應(yīng)鏈系統(tǒng)。

食品安全是食品行業(yè)中的一大關(guān)鍵因素，尤其是在乳制品行業(yè)。乳房傳染病可能會(huì)導(dǎo)致有害微生物進(jìn)入牛奶，而諸如抗生素或農(nóng)藥之類的化學(xué)物質(zhì)則會(huì)通過飼料，或由于對(duì)設(shè)備和存儲(chǔ)設(shè)施的控制不力而污染產(chǎn)品。為了防止摻假牛奶進(jìn)入食物鏈，檢查程序會(huì)貫穿整個(gè)生產(chǎn)過程和供應(yīng)鏈。

從裝有從任意奶牛場(chǎng)采集后混合的集乳車中抽取樣品，然后在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行分析。如果牛奶被證明受到了污染，就必須將整車牛奶都銷毀，所有相關(guān)奶農(nóng)和奶牛場(chǎng)都將承擔(dān)巨大損失。如果有一種檢測(cè)方法，奶農(nóng)可以在牛奶被集乳車采集之前對(duì)所在奶場(chǎng)的牛奶提前檢查，從而避免產(chǎn)生此類浪費(fèi)。

在MOLOKO項(xiàng)目中，來自7個(gè)國家的12家合作伙伴，包括一家乳品場(chǎng)，已經(jīng)設(shè)計(jì)出一款快速且便宜的檢測(cè)工具，用于鑒定牛奶中的品質(zhì)因數(shù)。

測(cè)試時(shí)間：5分鐘

在一項(xiàng)持續(xù)約5分鐘的測(cè)試中，新型光等離子體傳感器分析了產(chǎn)品中的六種物質(zhì)，從而在牛奶被泵入集乳車之前，對(duì)供應(yīng)鏈內(nèi)的產(chǎn)品進(jìn)行補(bǔ)充檢查和早期預(yù)警。該傳感器可以用受體功能化特異性抗體，將其作為牛奶中各種質(zhì)量和安全參數(shù)的指標(biāo)。從而幫助奶牛場(chǎng)進(jìn)行自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)定量分析。

集成傳感器

整個(gè)系統(tǒng)包含一款可重復(fù)使用的微流控芯片，有機(jī)發(fā)光晶體管（organic light-emitting transistors, OLETs）或二極管，包含有機(jī)光電探測(cè)器（organic photodetectors, OPDs）的傳感器，具有納米結(jié)構(gòu)的等離激元光柵和特異性抗體。

弗勞恩霍夫有機(jī)電子、電子束和等離子技術(shù)研究所（Fraunhofer Institute for Organic Electronics, Electron Beam & Plasma Technology, FEP）正在開發(fā)有機(jī)光電探測(cè)器，電子納米系統(tǒng)研究所（Electronic Nano Systems, ENAS）則在開發(fā)微流控芯片。有機(jī)發(fā)光晶體管由位于博洛尼亞（Bologna）的CNR-ISMN開發(fā)，光子光柵由位于帕維亞（Pavia）的Plasmore Srl公司開發(fā)，上述兩家公司都位于意大利（Italy）。CNR-ISMN是該項(xiàng)目的協(xié)調(diào)組織。

弗勞恩霍夫電子納米系統(tǒng)研究所的研究人員Andreas Morschhauser解釋道，“我們所開發(fā)芯片的獨(dú)特之處在于它可以重復(fù)使用。通過再生緩沖液將靶分子從固相抗體中剝離出來。意味著該抗體可以重復(fù)用于進(jìn)一步的測(cè)試?！?/p>

實(shí)際上，芯片的預(yù)估壽命為100個(gè)測(cè)試周期。在每次測(cè)試中，總共測(cè)量了與污染物和蛋白質(zhì)有關(guān)的6個(gè)參數(shù)。為此，Morschhauser及其同事開發(fā)了一款微流控系統(tǒng)，其形式是一種可更換的自動(dòng)化微型試劑盒。

除了提供有關(guān)牛奶安全和質(zhì)量的信息外，測(cè)得的參數(shù)還可以告知奶農(nóng)每頭奶牛的健康狀況。幫助奶農(nóng)發(fā)現(xiàn)早期感染并立刻著手治療。及時(shí)治療可以幫助奶農(nóng)更明智地使用抗生素，從而減少對(duì)抗生素的使用。

納米結(jié)構(gòu)光柵

測(cè)試又是如何進(jìn)行的呢？弗勞恩霍夫有機(jī)電子、電子束和等離子技術(shù)研究所的研究人員Michael T?rker博士解釋道，“晶體管發(fā)射的光落到涂有抗體的光柵上，抗體可以針對(duì)不同的物質(zhì)進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)牛奶流過光柵時(shí)，牛奶中的任何靶分子都會(huì)與抗體結(jié)合。”

“上述操作改變了緊鄰光柵的折射率，進(jìn)而改變了光的反射方式。反射光由光電探測(cè)器記錄，它可以測(cè)量出折射率的最小變化?！边@種在特殊結(jié)構(gòu)納米光柵上發(fā)生的基本現(xiàn)象被稱為表面等離子體共振，它可以提供快速且高靈敏度的讀數(shù)。

研究人員的最終目標(biāo)是在價(jià)值鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)上使用這款生物傳感器，既可以作為實(shí)驗(yàn)室裝置，也可以直接安裝在乳制品加工設(shè)備中。此外，它也適用于測(cè)試除牛奶以外的其他液體的質(zhì)量，如啤酒或水。唯一需要調(diào)整的是對(duì)固定捕獲分子和所需反應(yīng)緩沖液的修改。這僅僅涉及到將捕獲分子替換為針對(duì)所述目進(jìn)行了適當(dāng)修飾的捕獲分子。

光等離子體芯片開發(fā)的初始研究成果將于2020年1月7日-10日在內(nèi)華達(dá)州拉斯維加斯舉行的CES 2020上展出，展位號(hào)為40950。根據(jù)第780839號(hào)撥款協(xié)議（MOLOKO），該項(xiàng)目已經(jīng)獲得歐盟“地平線2020”計(jì)劃（Horizon 2020 research）和創(chuàng)新計(jì)劃的資助。