Van een polymeer maak je heel eenvoudig een kunstmatige receptor. Fysicus Bart van Grinsven, groepsleider Sensor Engineering bij de Universiteit Maastricht, begon zijn onderzoek naar polymeerreceptoren, ofwel molecular imprinted polymers, bij de Universiteit van Hasselt. ’We zoeken eenvoudige en goedkope manieren om, buiten een laboratorium, de concentratie van targetmoleculen, zoals vitamines, te meten. Daarvoor gebruiken we meestal polyurethanen of polyacrylaten, die we in aanwezigheid van de targetmoleculen maken. Vervolgens malen we het polymeer fijn en wassen we de targetmoleculen uit. Wat overblijft is een polymeerpoeder met holtes waarin precies een targetmolecuul past.’

Onverwacht signaal

Detectie van de binding van targetmoleculen gaat via een elektrochemische weerstandsmeeting. ’We sturen een elektromagnetische golf met oplopende frequentie door het systeem dat bestaat uit een vloeistof, de polymeerdeeltjes en het grensvlak tussen beide. Uit de verschillen in ladingdichtheid tussen de vloeistof en het grensvlak kunnen we de oorspronkelijke concentratie in de vloeistof afleiden.’ Schommelingen in de temperatuur zorgde in eerste instantie voor problemen. ’Dit lossen we op door de sensor tot een constante temperatuur te verwarmen’, zegt Ronald Thoelen (foto boven), hoogleraar biomedical device engineering aan de Universiteit Hasselt. ’We meten de temperatuur boven en onder de sensor. Aanvankelijk zagen we een onverwacht, onbekend signaal.’

‘We bouwen een lab-on-a-chip in een smoothiemachine’

Ronald Thoelen

Van Grinsven: ’Het kostte ons maanden om te achterhalen dat het signaal het gevolg is van het binden van het target aan de receptor en dat bracht ons op het idee van een heel nieuwe analysetechniek, Thermal Wave Transport Analysis. De binding van deeltjes aan de polymeerreceptor vertraagt de snelheid waarmee warmte door het polymeer reist. Door een thermische golf door de sensor te sturen, kunnen we het temperatuurtransport meten en daaruit de concentratie van de targetmoleculen afleiden.’

Smoothies

De holtes voor de targetmoleculen bieden meer mogelijkheden. Door stempels met gekweekte bacteriën in het polymeer te drukken ontstaan vervolgens bacterie-specifieke holtes. In het Europese project AgrEUfood werken onderzoekers van de universiteiten in Maastricht, Hasselt en Leuven samen met het bedrijfsleven aan de praktische toepassing van deze bacterie-bindende receptoren bij de productie van levensmiddelen. De Noord-Hollandse industriële bakkerij Dürüm en de Vlaamse producent van smoothiemachines Alberts fungeren hiervoor als proeftuin.

Beide bedrijven zijn partner in AgrEUfood en willen op locatie bacteriële verontreinigingen in het productieproces opsporen. Thoelen: ’Waar de Maastrichtse onderzoekers werken aan de polymeerreceptoren, integreren wij in Hasselt de receptoren in een lab-on-a-chip die we inbouwen in bijvoorbeeld de smoothiemachine.’ Snelheid is essentieel voor deze bedrijven. Een microbiologische analyse in een extern laboratorium kost ongeveer een week, terwijl deze nieuwe techniek maar een half uur vergt. ’Quick & dirty’, aldus Van Grinsven. ’Vergelijk onze techniek met de COVID-19 zelftest die minder nauwkeurig is dan de PCR-test, maar voldoet voor de toepassing thuis.’

Colorimetrie

Onlangs volgde een nieuwe Europese subsidie voor het project Foodscreening EMR (Euregio Maas Rijn) waarbij ook de universiteiten van Luik en Aken aansluiten. De aanleiding was een vraag van BASF naar een methode om in real time het effect van moderne kweektechnieken op het gehalte aan voedingsstoffen in gewassen te meten. Van Grinsven ontwikkelde hiervoor Substrate Displacement Colorimetry. ’We vullen de holtes in de polymeersensoren met een kleurstof met een lagere bindingsaffiniteit dan het targetmolecuul. Het targetmolecuul verdringt de kleurstof wat een colorimetrische concentratiemeting mogelijk maakt.’ Thoelen: ’Ook nu integreren we de polymeersensoren in een lab-on-a-chip waarin ook de colorimetrische analyse plaatsvindt.’

Ook bij dit project is het bedrijfsleven betrokken. Yookr in Horst (NL) werkt aan de data-analyse en presentatie. Het Duitse ZumoLab ontwikkelt het handheld analyseapparaat rondom het lab-on-a-chip, terwijl het Food Claims Center Venlo zich buigt over de juridische aspecten van de gezondheidsclaims rondom de specifieke vitaminegehaltes van gewassen.

Vanuit Hasselt heeft het werk van Van Grinsvens en Thoelen zich succesvol verspreid over meerdere universiteiten. Samen haalden alle partners inmiddels zo’n 2,5 miljoen aan subsidies op. Opschalen van de productie tot industrieel niveau is nog een uitdaging, maar als dat lukt is een quick & dirty analyse van stoffen en bacteriën ‘in het veld’ straks realiteit.