Nieuwe veilige bio-microsensor voor meten temperatuur voedsel

Een nieuwe generatie microsensoren kan de ontbrekende link zijn tussen voedselproducten en de Internet of Things. Onderzoekers van de EHT Zürich hebben een ultradunne temperatuursensor ontwikkeld die zowel bio-compatibel als biologisch afbreekbaar is.

Microsensoren worden al in veel verschillende applicaties gebruikt, zoals bij de detectie van giftige gassen. Ze worden ook geïntegreerd in miniatuur transmitter-ontvanger systemen, zoals RFID-chips. Maar omdat de sensoren vaak edele metalen bevatten die schadelijk zijn voor het milieu en de menselijke gezondheid, zijn ze niet geschikt voor medische applicaties waarbij sprake is van direct contact met het lichaam of voor gebruik in voedselproducten. Er is daarom veel interesse, zowel in de wetenschap als de industrie, in het ontwikkelen van microsensoren die gemaakt zijn van niet-giftige materialen die ook biologisch afbreekbaar zijn.

Polymeer

Een team van wetenschappers van verschillende ETH-instituten werkten samen aan de ontwikkeling van een microsensor die deze eigenschappen wel heeft. Het strak gewonden elektrisch filament van de sensor is gemaakt van magnesium, siliconen dioxide en nitride en ingekapseld in een composteerbaar polymeer. Masgnesium is een belangrijk onderdeel van ons dieet, terwijl siliconen dioxide en nitride biocompatibel zijn en oplossen in water. Het betreffende polymeer is gemaakt van mais- en aardappelzetmeel en voldoet aan de eisen van de voedingswetgeving in zowel de EU als de VS.

Giovanni Salvatore, een van de betrokken onderzoekers, is ervan overtuigd dat deze bioafbreekbare microsensoren de toekomst hebben. Om dit te verduidelijken, haalt hij één belangrijke applicatie als voorbeeld aan. ‘Als vis uit Japan naar Nederland wordt getransporteerd, kan deze van ultrakleine temperatuursensoren worden voorzien, waardoor het mogelijk is om de vis continu te monitoren om er zeker van de zijn dat de temperatuur laag genoeg blijf.’ Dit vraagt om sensoren die geschikt zijn voor gebruik in voedingsmiddelen en geen gevaar vormen voor de gezondheid. De sensoren moeten bovendien klein, robuust en flexibel genoeg zijn om te overleven in containers vol met vis en andere voedingsproducten.

Ultradun

Dat de microsensoren ontwikkeld aan de ETH dun genoeg zijn, is duidelijk. De sensor is maar 16 micrometers (µm) dik, dat is ongeveer vijf keer zo dun als een mensenhaar, die 100 micrometer dik is. De sensor is ook maar een paar millimeter lang en weegt nog geen fractie van een milligram. In z’n huidige vorm, lost de sensor binnen 67 dagen volledig op in een 1% zoutoplossing. De sensor blijft nog een dag functioneren als het volledig is ondergedompeld in water. Dat is voldoende tijd om een scheepsvracht van Japan naar Europa te kunnen monitoren. ‘Maar het is relatief makkelijk om de levensduur te verlengen door de dikte van het polymeer aan te passen’, aldus Salvatore. Een dikke sensor zou echter wel weer minder flexibel zijn. De huidige sensor is zo dun dat het zijn werking ook behoudt als het volledig wordt opgefrommeld of gevouwen. Ook als het wordt uitgerekt tot 10% van zijn orginele formaat, blijft de sensor intact.

Voor de stroomvoorziening hebben de wetenschappers de sensor aangesloten op een externe micro-batterij waarbij gebruikt is gemaakt van ultradun, bioafbreekbaar zinken kabels. Op dezelfde (niet bio-afbreekbare) chip zit een microprocessor en een transmitter die de temperatuurdata via Bluetooth naar een externe computer stuurt. Dat maakt het mogelijk om de temperatuur van een product in de gaten te houden op een afstand van 10 tot 20 meter.

Internet of Things

Het produceren van biocompatibele microsensoren is nu nog een tijdrovend en kostbaar proces. De ETH-onderzoekers denken dat het op korte termijn mogelijk wordt om zulke sensoren op grote schaal te produceren, zeker als de methoden voor het printen van elektronische circuits een verfijnd worden. ‘Zodra de prijs van biosensoren laag genoeg is, kunnen ze virtueel zo goed als overal gebruikt worden.’ Ze vormen dan ook een link tussen de fysieke en digitale wereld, waardoor ook voeding onderdeel van Internet of Things gaat uitmaken.

De onderzoekers verwachten dat bio-microsensoren zoals zij die hebben ontwikkeld in de toekomst onderdeel gaan uitmaken van ons dagelijks leven. De batterij, processor en transmitter zullen dan waarschijnlijk geïntegreerd zijn in de sensor zelf.

Door: Kelly Bakker

Bron: ETH + The Factory Files

Foto: YouTube ETH Zürich