Agrarphotonik Sensor kann Bakterien auf Obst und Gemüse erkennen

Untersuchungen haben ergeben, dass Pestizide in Obst und Gemüse jedes Jahr bis zu 11,000 Menschen töten und weltweit bis zu 385 Millionen unbeabsichtigt vergiften.

Die Überwachung von Lebensmitteln auf mikroskopisch kleine Chemikalien und schädliche Bakterien kann Tage dauern und beinhaltet das Senden kleiner Chargen an Labore zur Prüfung und Analyse. Jetzt wird ein neuer Detektor entwickelt, der mit Photonik winzige Spuren giftiger Elemente aufspüren kann, um innerhalb von Minuten ein Ergebnis zu liefern.

Der hochempfindliche Detektor nutzt Lichtpartikel, um kleinste Spuren von Pestiziden oder Bakterien 50- bis 100-mal schneller zu erkennen als bestehende Technologien.

Das System wird derzeit von einem EU-finanzierten Konsortium entwickelt und wird es Arbeitern ermöglichen, auf Pestizide oder Bakterien zu überprüfen, indem Dutzende mehr Proben von Obst und Gemüse überwacht werden, als derzeit durchgeführt werden. Von der Probenvorbereitung bis zum Nachweis liefert das neue System ein Ergebnis in weniger als 30 Minuten – ein Bruchteil der heutigen Zeit.

Das Team verwendet ein extrem empfindliches System, das Laserlicht verwendet, um chemische oder biologische Analyten zu erkennen. Das System wird als plasmo-photonischer bimodaler Multiplexing-Sensor bezeichnet und kann Bakterien oder Pestizide kennzeichnungsfrei erkennen, ohne Chemikalien oder Farbstoffe als Marker verwenden zu müssen.

Da sich Lebensmittel derzeit schnell und mit langwierigen Sicherheitskontrollen abbauen können, können die Fabriken oft weniger Kontrollen durchführen, wodurch die Verbraucher einem höheren Risiko ausgesetzt sind, Giften und Bakterien ausgesetzt zu werden – selbst in Ländern mit sehr effizienten Überwachungstechniken.

Sicherheitskontrollen von Obst und Gemüse werden oft in zufälligen Chargen durchgeführt und dann an ein Labor geschickt, ein Prozess, der Tage dauern kann. Aus Zeit- und Kostengründen können diese Prüfungen in kritischen Teilen der Wertschöpfungskette wie Supermärkten und Restaurants nicht durchgeführt werden.

Jedes Jahr werden 385 Millionen Menschen unbeabsichtigt durch den Verzehr von Obst oder Gemüse vergiftet, das Pestizide enthält, und Tausende sterben nicht nur, sondern wenn diese Pestizide über Nahrung und Wasser konsumiert werden, können sie eine Vielzahl tödlicher Langzeiterkrankungen verursachen, darunter Geburtsfehler, Krebs, genetische Defekte, Blutkrankheiten und Neurotoxizität.

Das Projekt mit dem Namen GACED wird derzeit vom CyRIC – Cyprus Research and Innovation Centre, Zypern koordiniert und umfasst ein Konsortium von Experten aus ganz Europa. Die Entwickler ließen sich von einem ihrer bestehenden Sensoren inspirieren, der Wasser untersucht, um mikrobiologische oder chemische Kontaminationen mit wenigen Pestiziden zu erkennen.

Das Projekt mit dem Namen GACED wird derzeit von CyRIC – dem zypriotischen Forschungs- und Innovationszentrum – koordiniert und umfasst ein Konsortium von Experten aus ganz Europa.

Das System funktioniert, indem es die „Bindung“ der Verunreinigung an die Sensoroberfläche betrachtet und ein neues einzigartiges Signal erzeugt, wenn ein schädlicher Bestandteil vorhanden ist.

Mit ihrem plasmophotonischen bimodalen Multiplexing-Sensor verwendet das GACED-Team eine der empfindlichsten verfügbaren Detektionstechnologien zur Identifizierung auf molekularer Ebene.

Da die Rezeptoren auf der Sensoroberfläche spezifisch auf ein bestimmtes Bakterium oder eine bestimmte Chemikalie „abgestimmt“ sind, werden entlang des Sensors nur die interessierenden Analyten erfasst.

Durch den Sensor wanderndes Licht erzeugt ein vollständig belichtetes evaneszentes Feld über der Sensoroberfläche und Rezeptoren können die Verunreinigungen beim Durchgang einer Probe aufgrund von Änderungen der Geschwindigkeit des Laserlichts und damit des Interferenzmusters am Ausgang erkennen.

Diese Änderung kann gemessen und anhand einer Reihe bestehender Werte präzise bestimmt werden – und sollte in der Lage sein, eine sofortige Diagnose für eine im pikomolaren bis attomolaren (pM–aM)-Bereich zu erwartende Verunreinigung ohne die Notwendigkeit einer Amplifikation zu geben.

Das GACED-Team sieht die Anwendungen als äußerst nützlich für mehrere Lebensmittelproduktionsalternativen der nächsten Generation.

„Vertikale oder städtische Farmen sind wie ein Labor, in dem alles in kontrollierten Räumen durchgeführt wird. Die Kontrolle der Wasserqualität ist für den Erfolg dieser Art von Farmen sehr wichtig, und wenn dieser Prozess automatisiert wird, ist er noch besser“, sagte Projektkoordinator Alessandro Giusti.

„Einige städtische Farmen verwenden ‚Grauwasser' – Senkenwasser, das zur Bewässerung verwendet wird – wo die Gefahr einer Kontamination möglich ist. Eine Lösung wie unsere wird also die futuristische Lebensmittelproduktion in hohem Maße ergänzen.“

Im Jahr 2024 wird das Projekt GACED zukünftige Versuche in Frankreich, Italien und Ungarn durchführen, die verschiedene Arten von Produktionssystemen abdecken (konventionelle Freilandlandwirtschaft, neuartige urbane Landwirtschaft, kurze agrarökologische Wertschöpfungskette, halbautomatische Landwirtschaft).