新型等离子体-光子传感器让果蔬中的农药残留无处遁形

原创 MEMS 2021-10-21 00:00

近日一项研究表明,每年有1.1万人死于水果和蔬菜残留的农药,而全球每年有约3.85亿人意外中毒。想要监测食品中的微量化学物质和有害细菌,需要把一小部分食品样品送入实验室进行检测和分析,可能要花上数天时间。据麦姆斯咨询报道,目前有一款新型传感器正处于开发中,它可以探测到痕量的有毒元素,并在几分钟内给出结果。



这种新型超灵敏光子传感器能够利用干涉传感技术在几分钟内发现最微小的农药或细菌痕迹,比现有技术快了50到100倍。

目前,一家由欧盟资助的联盟正在开发这款新型传感系统,该系统将帮助工作人员检查水果和蔬菜的农药或细菌残留,其可监测的样本数量远多于目前的传统技术。另外,该新系统可在不到30分钟内完成从样品准备到给出检测结果的全过程,这远少于目前检测所需要的时间。

该研究团队使用了一种极其灵敏的传感系统,利用激光探测化学或生物分析物。该系统被称为等离子体-光子双模态多路复用传感器(plasmo-photonic bimodal multiplexing sensor),无需使用化学物质或染料作为标记,即可识别细菌或农药。

鉴于食品腐败速度很快,但食品安全检查的时间较长,因此工厂通常会减少食品安全检查的次数,这意味着消费者面临更大的毒物和细菌暴露风险,即便是在拥有非常高效的检测技术的国家也是如此。

通常情况下,水果和蔬菜的安全检查是随机分批进行,然后送往实验室,这一过程可能需要2-3天才能得到最终检测结果。但由于时间和成本的原因,这些检测无法在如超市、餐厅等产业价值链的关键部分进行。

全球每年有3.85亿人因无意间食用含有农药的水果或蔬菜而意外中毒,其中1.1万人因此而不幸丧生。这些通过食物和水摄入的农药残留还可能导致一系列致命的长期疾病,包括先天缺陷、癌症、遗传缺陷、血液疾病以及神经毒性。

项目协调员Alessandro Giusti表示:“随着全球每年有上万人因此而死亡,我们迫切需要一种快速、准确、高灵敏度且成本低廉的新型检测设备。”

这个名为“GRACED”的项目目前正由塞浦路斯研究与创新中心(CYRIC)协调推进,包括来自欧洲各地的专家联盟。开发人员的灵感来自于他们现有的一款检测水的传感器,该传感器能够检测水中的微生物或含有少量农药的化学污染物。



“我们目前开发的这个项目,是先前我们在欧盟项目WATERSPY中的‘硬分叉’延伸拓展。从某种意义上讲,这两个项目是相关的:二者都是基于生物光子学的技术来确定特定基质中的污染物;在WATERSPY项目中,特定基质是饮用水;在GRACED项目中,特定基质可以是任何物质,如用于植物灌溉的水,或是新鲜水果和蔬菜本身。然而,两个项目的核心技术却完全不同。”

“所有检测工作都能在一颗芯片上完成,我们正努力实现在30分钟内同时检测七种不同的分析物(包含样品准备时间)。”



利用干涉传感技术

为了输出明确的细菌或农药检测,新型传感系统的工作原理是将观察污染物与传感器表面“相结合”,当存在有害成分时,系统就会产生新的独特信号。

GRACED团队利用其等离子体-光子双模态多路复用传感器,使用了目前最灵敏的检测技术之一,可实现分子级鉴定。

由于传感器表面的受体是专门针对特定细菌或化学物质的,因此只有特定分析物附着于传感器时才会被捕获。

光子在传感器中传输时,会在传感器表面产生完全暴露的倏逝场(evanescent field)。这样,当样本通过时,受体可以识别污染物。识别事件改变了光子的速度,从而改变了输出端的干涉图样。

这种变化可以根据一组现有值进行精确测量和确定,并且可在无需任何放大的情况下,对皮摩尔(pM)到阿摩尔(aM)范围内的污染物进行即时诊断。

这款传感器仅是整体模块化解决方案的一部分,该方案利用独特的工程设计、物联网概念以及先进的数据分析,来检测水果和蔬菜产业价值链中的污染物。

农场应用前景广阔

GRACED研究团队认为这种应用对下一代食品生产的替代方案非常有用:“垂直农场或城市农场有点像实验室,一切都在控制室中进行。控制水质对这类农场的成功非常重要,如果这一过程能够实现自动化,那就更棒了。”

“一些城市农场灌溉使用的是‘灰水’(即用于灌溉的沉淀水),就可能存在污染风险。因此像我们这样的解决方案将对未来的食品生产起到高度补充作用。”Giusti说道。

GRACED项目将于2024年完成,未来将在法国、意大利和匈牙利进行试验,试验涵盖不同类型的生产系统(如传统露天农业、新型城市农业、短农业生态价值链、半自动农业)。该项目为期3.5年,并从欧盟“地平线2020”(Horizon 2020)计划获得了498.9万欧元的资助,属于研究与创新行动专项资金。GRACED项目由塞浦路斯研究与创新中心(CYRIC)协调,还拥有多家技术合作伙伴共同推进。

延伸阅读:
《传感器技术和市场趋势-2020版》




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