Исследователи из США использовали технологию Aerosol Jet Printing (AJP) от производителей 3D-принтеров Optomec из Нью-Мексико для разработки электрохимического датчика на основе графена для тестирования продуктов питания.
Согласно исследованию, датчик способен обнаруживать гистамины (аллергены) и токсины в пище намного быстрее, чем стандартные лабораторные анализы. Возможность изменять геометрию шаблона 3D-печати по требованию с помощью программного управления позволила исследователям быстро создать прототип датчика при оптимизации его макета.
Комментируя результаты, опубликованные в журнале IOP Publishing 2D Materials (https://iopscience.iop.org/journal/2053-1583), основной автор, профессор Марк Херсам (Mark Hersam) из Северо-Западного университета, комментирует: «Мы разработали аэрозольные струйные графеновые чернила для печати, чтобы обеспечить эффективное исследование различных конструкций устройств, что имеет решающее значение для оптимизации отклика датчика».
Раннюю историю AJP 3D-печати можно проследить в рамках финансируемого DARPA проекта MICE (Mesoscale Integrated Conformal Electronics) в конце 1990-х годов, целью которого было развитие производственных процессов, способных наносить широкий спектр материалов практически на любую подложку.
Технология, появившаяся в результате проекта, с тех пор была коммерциализирована компанией Optomec, которая разрабатывает различные системы AJP для приложений в 3D-печатной электронике. AJP - это процесс, подходящий для производства электроники как на 2D, так и на 3D подложках. Процесс AJP формирует структуры с использованием небольших капель металлов, похожих на чернила, которые могут прилипать к готовым поверхностям, что позволяет изготавливать объекты из нескольких материалов. Такой процесс устраняет необходимость в склеивании проводов - например, печать электрических соединений на 3D-матрице или изготовление светодиодных чипов.
Действительно, исследователи объясняют в исследовании, что «Аэрозольная струйная печать (AJP) предлагает альтернативную технологию печати с высоким разрешением и высоким разрешением для изготовления устройства. Этот метод аддитивной печати с прямой записью устраняет необходимость в нескольких этапах изготовления и способен генерировать элементы с высоким разрешением без необходимости использования вспомогательных шаблонов».
Технология AJP использовалась различными фирмами для производства электронных схем и устройств высокого разрешения, таких как датчики деформации, беспроводные приемопередатчики Bluetooth и небольшие цифро-аналоговые преобразователи. Глобальная оборонная компания Northrop Grumman провела исследование с AJP в 2019 году, демонстрируя технологию как реальную альтернативу существующим полупроводниковым технологиям. Кроме того, Optomec недавно объявил, что достиг рубежа в поставке своего 500-го 3D-принтера по всему миру. Почти 300 из установленных принтеров состояли из систем AJP.
Несмотря на множество приложений для AJP в электронике с 3D-печатью, исследователи объясняют, что «его применение для обнаружения пищевых аллергенов, таких как гистамин, еще не продемонстрировано» с использованием электрохимических датчиков.
Авторы исследования утверждают, что, поскольку AJP размещает материал только там, где он необходим, и, следовательно, сводит к минимуму отходы, датчики AJP дешевы и просты в изготовлении, и при этом остаются портативными. Эти свойства могут потенциально обеспечить применение для печатных датчиков AJP 3D в местах, где необходим постоянный мониторинг образцов продуктов на месте для определения и поддержания качества продуктов, а также в других приложениях.
Основной автор исследования, профессор Кармен Гомес (Carmen Gomes) из Университета штата Айова, комментирует: «Аэрозольная печать была фундаментальной для разработки этого датчика. Углеродные наноматериалы, такие как графен, обладают уникальными свойствами, такими как высокая электропроводность, площадь поверхности и биосовместимость, которые могут значительно улучшить характеристики электрохимических датчиков».
«НО, ТАК КАК ВНУТРЕННИЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ОБЫЧНО ЯВЛЯЮТСЯ ОДНОРАЗОВЫМИ, НУЖНЫ МАТЕРИАЛЫ, КОТОРЫЕ ОБЕСПЕЧАТ НИЗКУЮ СТОИМОСТЬ, ВЫСОКУЮ ПРОЧНОСТЬ И МАСШТАБНОСТЬ ИЗГОТОВЛЕНИЯ. И АЭРОЗОЛЬ-СТРУЙНАЯ ПЕЧАТЬ ДАЁТ НАМ ЭТО”.
Исследователи решили использовать систему Optomec AJ200 AJP для 3D-печати чернилами на основе графена в виде рисунка со встречными электродами (IDE) поверх гибкой полиимидной подложки. Затем IDE высокого разрешения был преобразован в гистаминовые сенсоры путем ковалентного связывания моноклональных антител с кислородными фрагментами, созданными на поверхности графена в результате процесса термического отжига CO2. Датчики были протестированы как в буферном растворе (PBS), так и в рыбном бульоне, чтобы увидеть, насколько они эффективны при обнаружении гистаминов.
Исследователи обнаружили, что трехмерный печатный графеновый биосенсор способен обнаруживать гистамин в PBS и рыбном бульоне в токсикологически значимых диапазонах от 6,25 до 100 частей на миллион (ppm) и от 6,25 до 200 ppm соответственно, с аналогичными пределами обнаружения 2,52 ppm и 3,41 промилле соответственно.
Соавтор Кшама Парате (Kshama Parate), из Университета штата Айова, объясняет, что «Эти результаты значительны, так как уровень гистамина у рыб более 50 ppm может вызвать неблагоприятные последствия для здоровья, включая тяжелые аллергические реакции - например, пищевое отравление скумбрией. Примечательно, что датчики также показали быстрое время отклика 33 минуты без необходимости предварительной маркировки и предварительной обработки образца рыбы. Это намного быстрее, чем эквивалентные лабораторные тесты».
В заключение старший автор доктор Джонатан Клауссен из Университета штата Айова сказал: «Этот тип биосенсора можно использовать на предприятиях пищевой промышленности, в портах импорта и экспорта, а также в супермаркетах, где необходим постоянный мониторинг образцов пищевых продуктов на месте. Это тестирование на месте избавит от необходимости отправлять образцы пищевых продуктов для лабораторных испытаний, что требует дополнительного времени обработки, увеличивает время и затраты на анализ гистамина и, следовательно, увеличивает риск болезней пищевого происхождения и пищевых потерь».
Статья «Аэрозольные струйные электрохимические гистаминовые сенсоры на графене для мониторинга безопасности пищевых продуктов» (https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2053-1583/ab8919) опубликована в журнале «2D материалы» (https://iopscience.iop.org/journal/2053-1583).