據(jù)麥姆斯咨詢報道，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牛奶中污染物的在線檢測的多重光傳感器）項目的一項乳制品作業(yè)，以制造可以在現(xiàn)場檢測樣品的微流控芯片和光學器件。

帶有集成光源和檢測器的芯片，用于分析牛奶污染物

在德國及歐盟地區(qū)，對食品安全和食品質(zhì)量標準的要求正變得越來越高。在乳制品行業(yè)則更為嚴格。盡管要求很高，但微量雜質(zhì)、農(nóng)藥和抗生素仍會進入牛奶中，有時會對消費者的健康造成嚴重后果。

由歐盟資助的MOLOKO項目中，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，旨在對牛奶的安全和質(zhì)量參數(shù)進行快速、現(xiàn)場分析。這一預(yù)警系統(tǒng)將節(jié)省大量的時間和金錢，并大大減少產(chǎn)品的浪費，從而幫助優(yōu)化整個供應(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)。乳房傳染病可能會導致有害微生物進入牛奶，而諸如抗生素或農(nóng)藥之類的化學物質(zhì)則會通過飼料，或由于對設(shè)備和存儲設(shè)施的控制不力而污染產(chǎn)品。為了防止摻假牛奶進入食物鏈，檢查程序會貫穿整個生產(chǎn)過程和供應(yīng)鏈。

從裝有從任意奶牛場采集后混合的集乳車中抽取樣品，然后在實驗室中進行分析。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)和奶牛場都將承擔巨大損失。如果有一種檢測方法，奶農(nóng)可以在牛奶被集乳車采集之前對所在奶場的牛奶提前檢查，從而避免產(chǎn)生此類浪費。

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

測試時間：5分鐘

在一項持續(xù)約5分鐘的測試中，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，對供應(yīng)鏈內(nèi)的產(chǎn)品進行補充檢查和早期預(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。從而幫助奶牛場進行自動化現(xiàn)場定量分析。

集成傳感器

整個系統(tǒng)包含一款可重復(fù)使用的微流控芯片，有機發(fā)光晶體管（organic light-emitting transistors, OLETs）或二極管，包含有機光電探測器（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)有機光電探測器，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)用于進一步的測試?！?/p>

實際上，芯片的預(yù)估壽命為100個測試周期。在每次測試中，總共測量了與污染物和蛋白質(zhì)有關(guān)的6個參數(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。及時治療可以幫助奶農(nóng)更明智地使用抗生素，從而減少對抗生素的使用。

納米結(jié)構(gòu)光柵

測試又是如何進行的呢？弗勞恩霍夫有機電子、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，抗體可以針對不同的物質(zhì)進行測試。當牛奶流過光柵時，牛奶中的任何靶分子都會與抗體結(jié)合?！?/p>

“上述操作改變了緊鄰光柵的折射率，進而改變了光的反射方式。反射光由光電探測器記錄，它可以測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是在價值鏈的各個環(huán)節(jié)上使用這款生物傳感器，既可以作為實驗室裝置，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所述目進行了適當修飾的捕獲分子。

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)華達州拉斯維加斯舉行的CES 2020上展出，展位號為40950。根據(jù)第780839號撥款協(xié)議（MOLOKO），該項目已經(jīng)獲得歐盟“地平線2020”計劃（Horizon 2020 research）和創(chuàng)新計劃的資助。