Des chercheurs aux États-Unis ont développé un capteur électrochimique à base de graphène capable de détecter les histamines (allergènes) et les toxines dans les aliments beaucoup plus rapidement que les tests de laboratoire standard.

L'équipe a utilisé l'impression par jet d'aérosol pour créer le capteur. La possibilité de modifier la géométrie du motif à la demande via un contrôle logiciel a permis un prototypage rapide et une optimisation efficace de la disposition du capteur.

Commentant les conclusions, qui sont publiés aujourd'hui dans la revue IOP Publishing Matériaux 2D , auteur principal, le professeur Mark Hersam, de l'Université Northwestern, a déclaré : « Nous avons développé une encre au graphène imprimable par jet d'aérosol pour permettre une exploration efficace de différentes conceptions d'appareils, ce qui était essentiel pour optimiser la réponse du capteur."

En tant que méthode de fabrication additive qui ne dépose la matière que là où elle est nécessaire et donc minimise les déchets, les capteurs imprimés par jet d'aérosol sont peu coûteux, simple à faire, et portable. Cela pourrait potentiellement permettre leur utilisation dans des endroits où une surveillance continue sur place des échantillons d'aliments est nécessaire pour déterminer et maintenir la qualité des produits, ainsi que d'autres applications.

Auteure principale, la professeure Carmen Gomes, de l'Iowa State University, a déclaré :« L'impression par jet d'aérosol a été fondamentale pour le développement de ce capteur. Les nanomatériaux de carbone comme le graphène ont des propriétés matérielles uniques telles qu'une conductivité électrique élevée, superficie, et la biocompatibilité qui peut améliorer considérablement les performances des capteurs électrochimiques.

"Mais, étant donné que les capteurs électrochimiques sur le terrain sont généralement jetables, ils ont besoin de matériaux qui se prêtent à un faible coût, haut débit, et fabrication évolutive. L'impression par jet d'aérosol nous a donné cela."

L'équipe a créé des électrodes interdigitées (IDE) haute résolution sur des substrats flexibles, qu'ils ont convertis en capteurs d'histamine en liant de manière covalente des anticorps monoclonaux à des fragments d'oxygène créés à la surface du graphène par un processus de recuit thermique au CO2.

Ils ont ensuite testé les capteurs dans une solution tampon (PBS) et du bouillon de poisson, pour voir à quel point ils étaient efficaces pour détecter les histamines.

Co-auteur Kshama Parate, de l'Iowa State University, a déclaré:"Nous avons découvert que le biocapteur au graphène pouvait détecter l'histamine dans le PBS et le bouillon de poisson sur des plages toxicologiquement pertinentes de 6,25 à 100 parties par million (ppm) et de 6,25 à 200 ppm, respectivement, avec des limites de détection similaires de 2,52 ppm et 3,41 ppm, respectivement. Ces résultats de capteurs sont significatifs, car des niveaux d'histamine supérieurs à 50 ppm dans les poissons peuvent avoir des effets néfastes sur la santé, notamment des réactions allergiques graves, par exemple, intoxication alimentaire scombroïde.

« Notamment, les capteurs ont également montré un temps de réponse rapide de 33 minutes, sans qu'il soit nécessaire de pré-étiqueter et de pré-traiter l'échantillon de poisson. C'est beaucoup plus rapide que les tests de laboratoire équivalents."

Les chercheurs ont également découvert que la sensibilité du biocapteur n'était pas significativement affectée par l'adsorption non spécifique de grosses molécules de protéines couramment trouvées dans les échantillons d'aliments et utilisées comme agents de blocage.

Auteur principal, le Dr Jonathan Claussen, de l'Iowa State University, a déclaré : « Ce type de biocapteur pourrait être utilisé dans les installations de transformation des aliments, ports d'importation et d'exportation, et les supermarchés où une surveillance continue sur place des échantillons d'aliments est nécessaire. Ces tests sur place élimineront le besoin d'envoyer des échantillons d'aliments pour des tests en laboratoire, qui nécessite des étapes de manipulation supplémentaires, augmente le temps et le coût de l'analyse de l'histamine, et augmente par conséquent le risque de maladies d'origine alimentaire et de gaspillage alimentaire.

"Il pourrait également être utilisé dans d'autres applications de biodétection où une surveillance rapide des molécules cibles est nécessaire, car le prétraitement de l'échantillon est éliminé à l'aide du protocole d'immunodétection développé. Outre la détection de petites molécules allergènes telles que l'histamine, il pourrait être utilisé pour détecter diverses cibles telles que des cellules et des biomarqueurs protéiques. En remplaçant l'anticorps immobilisé sur la plate-forme du capteur par un anticorps spécifique à la détection d'espèces cibles biologiques appropriées, le capteur peut en outre répondre à des applications spécifiques. Les exemples incluent les agents pathogènes alimentaires (Salmonella spp.), maladies humaines mortelles (cancer, VIH) ou des maladies animales ou végétales (grippe aviaire, Citrus tristeza)."