Ricercatori negli Stati Uniti hanno sviluppato un sensore elettrochimico a base di grafene in grado di rilevare istamine (allergeni) e tossine negli alimenti molto più velocemente dei normali test di laboratorio.

Il team ha utilizzato la stampa a getto di aerosol per creare il sensore. La capacità di modificare la geometria del modello su richiesta tramite il controllo del software ha consentito una rapida prototipazione e un'ottimizzazione efficiente del layout del sensore.

Commentando i risultati, che sono pubblicati oggi nella rivista IOP Publishing Materiali 2-D , autore senior professor Mark Hersam, dalla Northwestern University, ha dichiarato:"Abbiamo sviluppato un inchiostro di grafene stampabile a getto di aerosol per consentire l'esplorazione efficiente di diversi modelli di dispositivi, che era fondamentale per ottimizzare la risposta del sensore."

Come metodo di produzione additiva che deposita il materiale solo dove è necessario e quindi riduce al minimo gli sprechi, i sensori stampati a getto di aerosol sono economici, semplice da realizzare, e portatile. Ciò potrebbe potenzialmente consentire il loro utilizzo in luoghi in cui è necessario il monitoraggio continuo in loco dei campioni alimentari per determinare e mantenere la qualità dei prodotti, così come altre applicazioni.

La professoressa Carmen Gomes, autrice senior, dell'Iowa State University, ha dichiarato:"La stampa a getto di aerosol è stata fondamentale per lo sviluppo di questo sensore. I nanomateriali di carbonio come il grafene hanno proprietà materiali uniche come l'elevata conduttività elettrica, superficie, e biocompatibilità che possono migliorare significativamente le prestazioni dei sensori elettrochimici.

"Ma, poiché i sensori elettrochimici in campo sono generalmente usa e getta, hanno bisogno di materiali che siano suscettibili di basso costo, ad alto rendimento, e produzione scalabile. La stampa a getto di aerosol ci ha dato questo."

Il team ha creato elettrodi interdigitati (IDE) ad alta risoluzione su substrati flessibili, che hanno convertito in sensori di istamina collegando in modo covalente anticorpi monoclonali a porzioni di ossigeno create sulla superficie del grafene da un processo di ricottura termica con CO2.

Hanno quindi testato i sensori sia in una soluzione tampone (PBS) che in brodo di pesce, per vedere quanto fossero efficaci nel rilevare le istamine.

Co-autore Kshama Parate, dell'Iowa State University, ha dichiarato:"Abbiamo scoperto che il biosensore al grafene potrebbe rilevare l'istamina nel PBS e nel brodo di pesce su intervalli rilevanti dal punto di vista tossicologico da 6,25 a 100 parti per milione (ppm) e da 6,25 a 200 ppm, rispettivamente, con limiti di rilevamento simili di 2,52 ppm e 3,41 ppm, rispettivamente. Questi risultati del sensore sono significativi, poiché livelli di istamina superiori a 50 ppm nel pesce possono causare effetti negativi sulla salute, comprese gravi reazioni allergiche, ad esempio, intossicazione alimentare scombroide.

"In particolare, i sensori hanno anche mostrato un tempo di risposta rapido di 33 minuti, senza la necessità di pre-etichettatura e pretrattamento del campione di pesce. Questo è molto più veloce dei test di laboratorio equivalenti."

I ricercatori hanno anche scoperto che la sensibilità del biosensore non era significativamente influenzata dall'assorbimento non specifico di grandi molecole proteiche che si trovano comunemente nei campioni di cibo e usate come agenti bloccanti.

L'autore senior Dr. Jonathan Claussen, dell'Iowa State University, ha dichiarato:"Questo tipo di biosensore potrebbe essere utilizzato negli impianti di lavorazione degli alimenti, porti di importazione ed esportazione, e supermercati dove è necessario il monitoraggio continuo in loco dei campioni di cibo. Questo test in loco eliminerà la necessità di inviare campioni di cibo per i test di laboratorio, che richiede ulteriori passaggi di gestione, aumenta il tempo e il costo dell'analisi dell'istamina, e di conseguenza aumenta il rischio di malattie di origine alimentare e sprechi alimentari.

"Potrebbe anche essere utilizzato in altre applicazioni di biorilevamento in cui è necessario un monitoraggio rapido delle molecole bersaglio, poiché il pretrattamento del campione viene eliminato utilizzando il protocollo di immunorilevamento sviluppato. Oltre a rilevare piccole molecole allergeniche come l'istamina, potrebbe essere utilizzato per rilevare vari bersagli come cellule e biomarcatori proteici. Passando l'anticorpo immobilizzato sulla piattaforma del sensore a uno specifico per il rilevamento di specie bersaglio biologiche adatte, il sensore può inoltre soddisfare applicazioni specifiche. Gli esempi includono agenti patogeni alimentari (Salmonella spp.), malattie umane mortali (cancro, HIV) o malattie animali o vegetali (influenza aviaria, Citrus tristeza)."