研究

气溶胶喷射印刷用于生产低成本的石墨烯食品毒素传感器

基于美国的研究人员已经使用过气溶胶喷射印花(AJP)技术从新的墨西哥3D打印机制造商Optomec开发了一种基于石墨烯的电化学传感器,用于测试食物。

根据该研究,传感器能够比标准实验室测试更快地检测食物中的组胺(过敏原)和毒素。使用软件控制需要改变3D打印模式几何形状的能力允许研究人员在优化其布局时快速地原型传感器。

评论今天在IOP出版期刊上发表的调查结果二维材料西北大学的资深作者Mark Hersam教授评论道:“我们开发了一种可气溶胶喷射打印的石墨烯墨水,能够有效探索不同的设备设计,这对优化传感器响应至关重要。”

5轴气溶胶喷射系统。通过Optomec图像。

什么是气溶胶喷射印刷?

AJP 3D打印技术的早期历史可以追溯到上世纪90年代末美国国防部高级研究计划局(darpa)资助的MICE(中尺度集成适形电子)项目,该项目旨在开发能够将多种材料沉积到几乎任何基材上的制造工艺。

该项目的技术已经被Optomec商业化,Optomec开发并提供各种AJP系统3 d印制电子。AJP是一种工艺,适用于在2D和3D基材上制造电子产品。AJP工艺使用小的像墨水一样的金属滴形成结构,可以粘附在现成的表面,使多种材料的物体被制造出来。这种工艺消除了线键合的需要——例如,在3D堆叠模具上打印电子连接或用于LED芯片制造。

事实上,研究人员在研究中解释说,“气溶胶喷射打印(AJP)为设备制造提供了一种高产量和高分辨率打印技术。”这种直接写入、添加式印刷方法消除了几个制造步骤的要求,并且能够在不需要辅助图案的情况下生成高分辨率的特征。”

AJP技术已被各种公司用于制造高分辨率电子电路和设备, 喜欢应变传感器无线蓝牙收发器, 和小型模拟转换器芯片。全球国防公司诺斯罗普·格伦曼于2019年与AJP进行了一项研究,证明了该技术具有现有半导体技术的能力替代品。此外,Optomec最近透露,它已经达到了交付它的里程碑全球500个3D打印机。近300个安装基座由AJP系统组成。

ajp optomec 3d打印过程的特写镜头。照片通过Optomec。
ajp optomec 3d打印过程的特写镜头。照片通过Optomec。

3D使用石墨烯和AJP打印电化学传感器

尽管AJP在3D印刷电子产品中具有众多应用,但研究人员解释说,“尚不示出其用于检测食物过敏原如组胺的应用,”使用电化学传感器。

该研究的作者认为,由于AJP只在需要的地方沉积材料,因此减少了浪费,AJP传感器因此成本低,易于制造,同时还保持便携性。这些特性可能使AJP 3D打印传感器应用于需要对食品样品进行连续现场监测以确定和维持产品质量的地方,以及其他应用。石墨烯尤其被认为是一种合适的材料,因为它展示了“独特的材料特性,包括高导电性、表面积和生物相容性,这些特性有可能显著提高电化学传感器的性能。”

研究中的高级作者,来自爱荷华州立大学的Carmen Gomes教授,评论:“气溶胶喷射印刷是该传感器的开发的基础。碳纳米材料如石墨烯具有独特的材料特性,如高电导率,表面积和生物相容性,可以显着提高电化学传感器的性能。“

“但是,由于现场电化学传感器通常是一次性的,因此它们需要适用于低成本,高通量和可扩展制造的材料。气溶胶喷射印刷给了我们这个。“

因此,研究人员选择使用Optomec的AJ200 AJP系统在柔性聚酰亚胺衬底顶部的indraditated电极(IDE)图案中的基于石墨烯类的墨水。然后通过共价将单克隆抗体与CO 2热退火工艺共价将单克隆抗体与在石墨烯表面上产生的氧部分联系起来的单克隆抗体转化为组胺传感器。然后在缓冲溶液(PBS)和鱼类肉汤中测试传感器,以了解它们在检测组胺时它们有多有效。

研究人员发现,3D印刷的石墨烯生物传感器能够在毒理学相关范围内检测PBS和鱼汤中的组胺,分别为每百万(ppm)和6.25至200ppm,具有类似的检测限为2.52ppm和分别为3.41 ppm。

从爱荷华州立大学的人员Kshama Parate的数据解释说,“这些传感器结果很大,因为鱼类超过50ppm的组胺水平会导致不良健康效应,包括严重的过敏反应 - 例如,微量食物中毒。值得注意的是,传感器还显示出33分钟的快速响应时间,而无需预先标记和预处理鱼类样品。这比同等实验室测试更快的交易。“

总结,来自爱荷华州立大学的高级作者乔纳森·克劳森博士表示:“这种类型的生物传感器可用于食品加工设施,进出口港口,以及需要连续现场监测食品样品的超市。该现场测试将消除送食物样品进行实验室检测的需要,这需要额外的处理步骤,增加时间和成本对组胺分析,因此增加了食物中疾病和食品浪费的风险。“

本文,“用于食品安全监测的气溶胶喷射打印石墨烯电化学组胺传感器,“发表在二维材料贡献作者包括Kshama Parate,CíceroCPola,Sonal V Rangnekar,Deyny L Mendivelso-Perez,Emily A Smith,Mark C Hersam,Carmen L Gomes和Jonathan C Claussen。

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