一款新型光等离子传感器

据麦姆斯咨询报道，弗劳恩霍夫（Fraunhofers）研究所及其合作伙伴参与了“MOLOKO”（Multiplex phOtonic sensor for pLasmonic-based Online detection of contaminants in milK，用于基于等离子体对牛奶中污染物的在线检测的多重光传感器）项目的一项乳制品作业，以制造可以在现场检测样品的微流控芯片和光学器件。

带有集成光源和检测器的芯片，用于分析牛奶污染物

在德国及欧盟地区，对食品安全和食品质量标准的要求正变得越来越高。在乳制品行业则更为严格。尽管要求很高，但微量杂质、农药和抗生素仍会进入牛奶中，有时会对消费者的健康造成严重后果。

由欧盟资助的MOLOKO项目中，弗劳恩霍夫研究所的研究人员与合作伙伴合作开发了一款新型光等离子传感器，旨在对牛奶的安全和质量参数进行快速、现场分析。这一预警系统将节省大量的时间和金钱，并大大减少产品的浪费，从而帮助优化整个供应链系统。

食品安全是食品行业中的一大关键因素，尤其是在乳制品行业。乳房传染病可能会导致有害微生物进入牛奶，而诸如抗生素或农药之类的化学物质则会通过饲料，或由于对设备和存储设施的控制不力而污染产品。为了防止掺假牛奶进入食物链，检查程序会贯穿整个生产过程和供应链。

从装有从任意奶牛场采集后混合的集乳车中抽取样品，然后在实验室中进行分析。如果牛奶被证明受到了污染，就必须将整车牛奶都销毁，所有相关奶农和奶牛场都将承担巨大损失。如果有一种检测方法，奶农可以在牛奶被集乳车采集之前对所在奶场的牛奶提前检查，从而避免产生此类浪费。

在MOLOKO项目中，来自7个国家的12家合作伙伴，包括一家乳品场，已经设计出一款快速且便宜的检测工具，用于鉴定牛奶中的品质因数。

测试时间：5分钟

在一项持续约5分钟的测试中，新型光等离子体传感器分析了产品中的六种物质，从而在牛奶被泵入集乳车之前，对供应链内的产品进行补充检查和早期预警。该传感器可以用受体功能化特异性抗体，将其作为牛奶中各种质量和安全参数的指标。从而帮助奶牛场进行自动化现场定量分析。

集成传感器

整个系统包含一款可重复使用的微流控芯片，有机发光晶体管（organic light-emitting transistors, OLETs）或二极管，包含有机光电探测器（organic photodetectors, OPDs）的传感器，具有纳米结构的等离激元光栅和特异性抗体。

弗劳恩霍夫有机电子、电子束和等离子技术研究所（Fraunhofer Institute for Organic Electronics, Electron Beam & Plasma Technology, FEP）正在开发有机光电探测器，电子纳米系统研究所（Electronic Nano Systems, ENAS）则在开发微流控芯片。有机发光晶体管由位于博洛尼亚（Bologna）的CNR-ISMN开发，光子光栅由位于帕维亚（Pavia）的Plasmore Srl公司开发，上述两家公司都位于意大利（Italy）。CNR-ISMN是该项目的协调组织。

弗劳恩霍夫电子纳米系统研究所的研究人员Andreas Morschhauser解释道，“我们所开发芯片的独特之处在于它可以重复使用。通过再生缓冲液将靶分子从固相抗体中剥离出来。意味着该抗体可以重复用于进一步的测试。”

实际上，芯片的预估寿命为100个测试周期。在每次测试中，总共测量了与污染物和蛋白质有关的6个参数。为此，Morschhauser及其同事开发了一款微流控系统，其形式是一种可更换的自动化微型试剂盒。

除了提供有关牛奶安全和质量的信息外，测得的参数还可以告知奶农每头奶牛的健康状况。帮助奶农发现早期感染并立刻着手治疗。及时治疗可以帮助奶农更明智地使用抗生素，从而减少对抗生素的使用。

纳米结构光栅

测试又是如何进行的呢？弗劳恩霍夫有机电子、电子束和等离子技术研究所的研究人员Michael Törker博士解释道，“晶体管发射的光落到涂有抗体的光栅上，抗体可以针对不同的物质进行测试。当牛奶流过光栅时，牛奶中的任何靶分子都会与抗体结合。”

“上述操作改变了紧邻光栅的折射率，进而改变了光的反射方式。反射光由光电探测器记录，它可以测量出折射率的最小变化。”这种在特殊结构纳米光栅上发生的基本现象被称为表面等离子体共振，它可以提供快速且高灵敏度的读数。

研究人员的最终目标是在价值链的各个环节上使用这款生物传感器，既可以作为实验室装置，也可以直接安装在乳制品加工设备中。此外，它也适用于测试除牛奶以外的其他液体的质量，如啤酒或水。唯一需要调整的是对固定捕获分子和所需反应缓冲液的修改。这仅仅涉及到将捕获分子替换为针对所述目进行了适当修饰的捕获分子。

光等离子体芯片开发的初始研究成果将于2020年1月7日-10日在内华达州拉斯维加斯举行的CES 2020上展出，展位号为40950。根据第780839号拨款协议（MOLOKO），该项目已经获得欧盟“地平线2020”计划（Horizon 2020 research）和创新计划的资助。