Группа исследователей из Университета Иллинойса разработала доступный и надежный датчик на бумажной основе, который работает с приложением для мобильного телефона, также разработанным в Университете штата Айленд, для определения уровней железа в обогащенных пищевых продуктах.
Новая технология сочетает в себе химию, инженерию, питание и науку о пищевых продуктах для разработки меняющего цвет бумажного сенсора, который может обнаруживать железо в пище, а также информационных технологий для разработки простого в использовании приложения для мобильных телефонов, доступного для людей с низким уровнем дохода.
Анна Уоллер, докторант кафедры пищевых наук и питания человека и лаборатории IGNITE, возглавила исследование, опубликованное в журнале Nutrients.
«Мы изучаем программы обогащения продуктов питания как средство сокращения дефицита питательных микроэлементов в странах с низким уровнем дохода», – объясняет Уоллер. "Одним из призывов к повышению эффективности или успеха этих программ является усиление мониторинга и оценки этих программ, чего не хватает во многих странах с низкими доходами. Но для этого требуется так много лабораторной инфраструктуры и персонала, которые часто недоступны в этих условиях."
Хуан Андраде, доцент кафедры питания и соавтор исследования, объясняет, что доверие между потребителями, компаниями, которые перерабатывают пищевые продукты, и правительствами, регулирующими программы обогащения пищевых продуктов, является ключевым фактором. По его словам, новая технология направлена на это доверие.
"В конце концов, у вас есть инструмент, с которым все согласны, действительный, простой и недорогой, который дает вам результаты на мобильном телефоне. Если телефон может подключаться к облаку, а облако подключено к правительственному учреждению или офису компании, они могут отслеживать и поддерживать записи, подтверждающие их заявления.
Все собрано и хранится. Нет места разногласиям.
Вот почему это отличная технология, позволяющая."
Уоллер начал с изучения различных типов биосенсоров. «Бумажный датчик действительно выделялся тем, что казался самым недорогим и простым в использовании, что соответствует критериям Всемирной организации здравоохранения для разработки таких технологий», – добавляет она.
По словам Уоллера, одним из основных препятствий было решить, какую бумажную основу использовать. В предыдущих исследованиях сенсоров на бумажной основе она увидела, что чаще всего используются гидрофильные бумаги, которые впитывают воду. «Поскольку мы измеряем добавленное железо в матрице высушенных продуктов, нам нужно было сначала растворить его в растворе кислоты.
Однако, когда мы использовали гидрофильную бумагу, проявившееся цветовое пятно было очень непостоянным, и цвет было нелегко измерить, потому что образец растекался по гидрофильной бумаге », – говорит Уоллер.
Она продолжила тестировать бумагу, которая способствовала бы развитию измеряемого цветового пятна, и остановилась на гидрофобной бумаге, залитой силиконом. Это уменьшило неоднородность цветового пятна на бумаге и обеспечило более точный и надежный результат.
Используя свой химический опыт, она затем исследовала различные реакции с железом, которые могут вызывать видимое изменение цвета бумаги, в результате чего реакция феррозина работает в самом широком диапазоне температур. Она уменьшила количество жидкости в растворе до небольшого количества микролитра, нанесла его на бумагу и высушила.
Андраде объясняет: «Этот метод меньше мешает [другим питательным веществам].
Имеет ярко-пурпурный цвет. Итак, когда вы видите мазок на бумаге, все сосредоточено. Вот почему цвет такой яркий и быстро сохнет.
Цвет очень устойчивый и остается неизменным при высыхании.
«Потребовалось время, чтобы понять, какой метод, потому что, если цвет исчезнет, все готово», – добавляет он. "Это очень стабильная реакция, и цвет остается стабильным в течение двух лет."
Этот процесс привел к бумажному анализу, который изменяет цвет в ответ на железо в обогащенных пищевых продуктах.
Исследователи использовали танзанийскую пшеничную муку и детское питание, которые уже были обогащены, чтобы протестировать свой датчик. В своем исследовании они обогатили кукурузную муку железом до уровней, рекомендованных Всемирной организацией здравоохранения.
Команда также получила грант от Института послеуборочных потерь ADM на разработку приложения для смартфонов в сотрудничестве с U of I Technology Services для количественной оценки этого изменения цвета с помощью приложения для смартфона. С мобильным телефоном те, кто будет оценивать уровни питательных веществ в обогащенной пище, после того, как появятся цвета, сфотографируют бумажный датчик, и приложение проанализирует уровень железа.
Андраде объясняет, что традиционно золотым стандартом для измерения содержания железа в образцах пищевых продуктов является атомно-абсорбционная или эмиссионная спектроскопия. Однако этот тип анализа может быть дорогостоящим, требует обученного персонала и обычно проводится только в лабораториях университетов или частных предприятий.
Но Андраде объясняет, что смартфоны доступны в условиях ограниченных ресурсов. "Исследования показывают, что мобильные телефоны проникают в страны с низким уровнем дохода. Мы были там, и мы понимаем контекст, поэтому мы привносим его в разработку этих бумажных технологий."
Уоллер поехал в Мексику в рамках стипендии Фулбрайта, чтобы проверить точность и постоянство датчика при обнаружении железа с использованием продуктов из реальной программы обогащения по сравнению с традиционным методом оценки уровней питательных веществ. Помимо разработки недорогого комплекта для пробоподготовки, который обеспечивает достоверные, точные и надежные измерения, одним из экспериментов, которые она провела в Мексике, было сравнение результатов приложения для смартфона с результатами на настольном компьютере с использованием программного обеспечения.
«Одним из аспектов, опубликованных в этой статье, является плавный переход от анализа настольных компьютеров к анализу на базе смартфонов без ущерба для производительности и достоверности сенсора», – говорит Андраде. «В наших первоначальных исследованиях мы сделали фотографию с помощью мобильного телефона или камеры, оцифровали ее и проанализировали с помощью компьютерного программного обеспечения. Но что, если анализ будет выполнять сам телефон, а не переносить его на настольный компьютер?? Будет ли полученное значение таким же?
Это то, что нам нужно было протестировать, и ответ – да."
Андраде добавляет, что проверка бумажных анализов является ключевым моментом. «Многие лаборатории разрабатывают инновационные платформы обнаружения, но лишь немногие проверяют свои технологии в полевых условиях», – добавил он.