Agrarische fotonica sensor in staat om bacteriën op groenten en fruit te herkennen

Onderzoek heeft uitgewezen dat pesticiden in groenten en fruit jaarlijks tot 11,000 mensen doden en onbedoeld tot 385 miljoen wereldwijd vergiftigen.

Het controleren van voedsel op microscopisch kleine chemicaliën en schadelijke bacteriën kan dagen duren en omvat het verzenden van kleine batches naar laboratoria voor testen en analyse. Nu is er een nieuwe detector in ontwikkeling die met fotonica minuscule sporen van giftige elementen kan detecteren om binnen enkele minuten een resultaat te geven.

De ultragevoelige detector gebruikt lichte deeltjes om de kleinste sporen van pesticiden of bacteriën 50 tot 100 keer sneller te detecteren dan bestaande technologieën.

Het systeem wordt momenteel ontwikkeld door een door de EU gefinancierd consortium en stelt werknemers in staat te controleren op pesticiden of bacteriën door tientallen meer monsters van groenten en fruit te controleren dan momenteel worden uitgevoerd. Van het voorbereiden van een monster tot detectie, het nieuwe systeem kan een resultaat opleveren in minder dan 30 minuten - een fractie van de tijd die momenteel wordt gebruikt.

Het team gebruikt een extreem gevoelig systeem dat laserlicht gebruikt om chemische of biologische analyten te detecteren. Dit systeem, dat een plasmo-fotonische bimodale multiplexsensor wordt genoemd, kan etiketvrij bacteriën of pesticiden detecteren, zonder chemicaliën of kleurstoffen als marker te hoeven gebruiken.

Aangezien voedsel snel kan worden afgebroken en er momenteel langdurige veiligheidscontroles plaatsvinden, kunnen fabrieken vaak minder controles uitvoeren, wat betekent dat consumenten een groter risico lopen op blootstelling aan vergiften en bacteriën - zelfs in landen met zeer efficiënte controletechnieken.

Veiligheidscontroles bij groenten en fruit worden vaak willekeurig uitgevoerd en vervolgens naar een laboratorium gestuurd, een proces dat dagen kan duren. Vanwege tijd en kosten kunnen deze controles niet worden uitgevoerd in kritieke delen van de waardeketen zoals supermarkten en restaurants.

Elk jaar worden 385 miljoen mensen onbedoeld vergiftigd door het eten van fruit of groenten die pesticiden bevatten en duizenden sterven niet alleen, maar wanneer ze worden geconsumeerd via voedsel en water, kunnen deze pesticiden tal van dodelijke langdurige aandoeningen veroorzaken, waaronder geboorteafwijkingen, kankers, genetische defecten, bloedaandoeningen en neurotoxiciteit.

Het project, genaamd GRACED, wordt momenteel gecoördineerd door CyRIC – Cyprus Research and Innovation Centre, Cyprus en omvat een consortium van experts uit heel Europa. De ontwikkelaars lieten zich inspireren door een van hun bestaande sensoren die water onderzoekt om microbiologische of chemische contaminatie met een klein aantal pesticiden te detecteren.

Het project, genaamd GRACED, wordt momenteel gecoördineerd door CyRIC - het onderzoeks- en innovatiecentrum van Cyprus, en omvat een consortium van experts uit heel Europa.

Het systeem werkt door te kijken naar de 'binding' van de verontreiniging aan het sensoroppervlak en produceert een nieuw uniek signaal wanneer een schadelijk bestanddeel aanwezig is.

Met hun plasmo-fotonische bimodale multiplexsensor gebruikt het GRACED-team een ​​van de meest gevoelige detectietechnologieën die beschikbaar zijn voor identificatie op moleculair niveau.

Omdat de receptoren op het sensoroppervlak specifiek zijn 'afgestemd' op een bepaalde bacterie of chemische stof, worden alleen de van belang zijnde analyten langs de sensor vastgelegd.

Licht dat in de sensor beweegt, genereert een volledig belicht, verdwijnend veld over het sensoroppervlak en receptoren kunnen de verontreinigingen herkennen wanneer een monster passeert vanwege veranderingen in de snelheid van het laserlicht en dus het interferentiepatroon aan de uitgang.

Deze verandering kan nauwkeurig worden gemeten en bepaald aan de hand van een reeks bestaande waarden - en zou een onmiddellijke diagnose moeten kunnen geven voor een verontreinigende stof die wordt verwacht in het picomolaire tot attomolaire (pM-aM) bereik zonder dat amplificatie nodig is.

Het GRACED-team beschouwt de toepassingen als uiterst nuttig voor verschillende alternatieven voor voedselproductie van de volgende generatie.

“Verticale of stadsboerderijen zijn een beetje als een laboratorium waar alles in gecontroleerde ruimtes wordt uitgevoerd. Het beheersen van de waterkwaliteit is erg belangrijk voor het succes van dit soort boerderijen, en als dit proces geautomatiseerd is, is het nog beter”, zegt projectcoördinator Alessandro Giusti.

“Sommige stadsboerderijen gebruiken 'grijs water' - gootwater dat wordt gebruikt voor irrigatie - waar het risico op besmetting mogelijk is. Een oplossing als de onze zal dus zeer complementair zijn aan de futuristische voedselproductie.”

Het GRACED-project, dat in 2024 wordt afgesloten, zal toekomstige proeven uitvoeren in Frankrijk, Italië en Hongarije, met betrekking tot verschillende soorten productiesystemen (conventionele landbouw in de open lucht, nieuwe stadslandbouw, korte agro-ecologische waardeketen, semi-automatische landbouw).