إنجازٌ رائد في مجال سلامة الغذاء: تشاو تشانغ، الرئيس التنفيذي لشركة كينغبو، يرشد طلاب الدراسات العليا لنشر ورقة بحثية في الربع الثاني من مجلة ساينس إن ساينس حول الكشف السريع عن المبيدات في الشاي

دونغقوان، الصين – 25/10/2024 – في تطور هام لتكنولوجيا سلامة الأغذية، تشاو تشانغ (المعروف أيضاً باسم بروس تشانغ)، الرئيس التنفيذي لشركة كينغبو وقد قاد مشرف الدراسات العليا في كلية الهندسة الإلكترونية والذكاء الاصطناعي بجامعة دونغقوان للتكنولوجيا فريقه البحثي لنشر ورقة بحثية رائدة في مجلة تكوين وتحليل الأغذية (مجلة علمية مصنفة ضمن الربع الثاني، معامل التأثير ~3.8). تُقدم هذه الدراسة، بعنوان "الكشف السريع والحساس عن بقايا المبيدات في حساء الشاي الحقيقي باستخدام مجسات SERS للألياف البصرية"، طريقة مبتكرة للكشف عن بقايا المبيدات مباشرةً في حساء الشاي دون الحاجة إلى تحضير معقد للعينات. يُبرز هذا العمل خبرة تشانغ في مجال الإلكترونيات الضوئية والتزامه بتوجيه الجيل القادم من العلماء، جامعًا بين الدقة الأكاديمية والتطبيقات العملية في مراقبة جودة الأغذية.

بصفته قائدًا مخضرمًا في مجال الإلكترونيات والذكاء الاصطناعي، أشرف تشاو تشانغ على العديد من طلاب الدراسات العليا، وشجع البحوث متعددة التخصصات التي تتناول تحديات واقعية. في هذا المشروع، تعاون تشانغ مع المؤلف الرئيسي تشنغبين تساي، والمؤلفين المشاركين، بمن فيهم فاي تشو، ورانغ تشو، وهاي يي، ولينغلينغ شوي، ويي ليو، وجميعهم منتسبون إلى جامعة دونغقوان للتكنولوجيا والمؤسسات ذات الصلة. وقد قُبل البحث في 8 يوليو 2024، ونُشر إلكترونيًا بعد ذلك بوقت قصير، مما يُبرز دور الجامعة في تطوير تقنيات هندسة البنية التحتية الحضرية من خلال مختبرها الرئيسي في مقاطعة قوانغدونغ.

الابتكارات الأساسية والمنهجية

تتناول هذه الورقة البحثية قضية بالغة الأهمية في استهلاك الشاي، ألا وهي وجود بقايا المبيدات في حساء الشاي، والتي قد تشكل مخاطر صحية رغم فوائد الشاي الغذائية، مثل احتوائه على البوليفينولات والكافيين. تتطلب طرق الكشف التقليدية، مثل كروماتوغرافيا الغاز-مطياف الكتلة (GC-MS) أو كروماتوغرافيا السائل عالي الأداء (HPLC)، معالجة مسبقة للعينات تستغرق وقتًا طويلاً، بالإضافة إلى خبرة فنية متخصصة، مما يحد من استخدامها في الاختبارات السريعة في الموقع.

قدّم فريق تشانغ نهجًا جديدًا للكشف الموضعي باستخدام مطيافية رامان المحسّنة سطحيًا (SERS) المدمجة مع مجسات الألياف الضوئية. ومن أبرز النقاط ما يلي:

تصنيع المجسات:

طوّر الباحثون مجسات SERS ليفية عالية الأداء، مُنمّطة بتجمعات من قضبان الذهب النانوية (AuNR)، باستخدام طريقة التجميع الذاتي بالتبخير المُحفّز بالليزر (LIESAM). تتضمن هذه العملية الآلية غمر ألياف السيليكا متعددة الأنماط وسحبها عبر غرواني AuNR تحت تأثير الليزر، مع ضبطها على 17 دورة للحصول على أقصى عدد من النقاط الساخنة في SERS. أكّد الفحص المجهري الإلكتروني الماسح (SEM) التوزيع المتجانس لتجمعات AuNR، مما وفّر مواقع تعزيز عديدة لإشارات رامان. (يُظهر الشكل 2ج صورة نموذجية بالمجهر الإلكتروني الماسح لسطح الليف المُحسّن مع تجمعات AuNR المكتظة).

عملية الكشف في الموقع:

تُغمر المجسات ببساطة في عينات من حساء الشاي الملوث، المُحضّرة بنقع أوراق الشاي الأخضر المرشوشة بالمبيدات. لا حاجة لخطوات استخلاص أو تركيز، مما يُتيح إجراء قياسات "الغمر-التجفيف-الغمر" باستخدام مطياف رامان محمول (إثارة بطول موجي 785 نانومتر، زمن تكامل 500 مللي ثانية). (يوضح الشكل 1أ مخطط تحضير عينات حساء الشاي الملوث؛ بينما يُظهر الشكل 1ب الإعداد التجريبي للكشف بتقنية SERS).

المبيدات المستهدفة:

تم اختبار هذه الطريقة على الثيرام (مبيد فطري) والباراكوات (مبيد أعشاب)، وهما من المبيدات الشائعة في إنتاج الشاي. كشفت أطياف SERS عن قمم مميزة، مما سمح بالتعرف الانتقائي على المكونات ضمن التركيبة المعقدة لحساء الشاي من العناصر الغذائية مثل الكافيين والكاتيكينات. (يقارن الشكل 3أ أطياف SERS لحساء الشاي النظيف وحساء الشاي الملوث بالباراكوات، مع إبراز القمم عند 837 و1191 و1292 و1534 و1647 سم⁻¹ للباراكوات؛ يوضح الشكل 3ب قابلية تكرار الطيف بانحراف معياري نسبي قدره 6.1% عند 1647 سم⁻¹).

تستفيد هذه التقنية من عملية جمع الإشارات المتكاملة لمجسات الألياف، مما يقلل من التداخل الناتج عن مكونات الشاي مع تضخيم إشارات المبيدات الحشرية من خلال التحسين الكهرومغناطيسي من النقاط الساخنة لجزيئات الذهب النانوية.

النتائج الرئيسية والأداء

حققت الدراسة حساسية وموثوقية مثيرتين للإعجاب:

حدود الكشف (DL):

بلغت قيم التركيز المُقاسة 1.0 ميكروغرام/كيلوغرام (0.001 ملليغرام/كيلوغرام) للثيرام و10.0 ميكروغرام/كيلوغرام (0.01 ملليغرام/كيلوغرام) للباراكوات، متجاوزةً بذلك العديد من طرق SERS السابقة التي اعتمدت على مستخلصات أوراق الشاي أو مساحيقه. وقد حُدِّدت هذه الحدود باعتبارها أدنى تركيزات تبقى عندها القمم المميزة (مثل 1369 سم⁻¹ للثيرام، و1647 سم⁻¹ للباراكوات) قابلةً للتمييز. (يُظهر الشكلان 4أ و4ج أطياف SERS المعتمدة على التركيز للباراكوات والثيرام؛ بينما يُظهر الشكلان 4ب و4د منحنيات المعايرة اللوغاريتمية).

تحليل كمي:

أظهرت منحنيات المعايرة اللوغاريتمية خطية قوية (R² = 0.990 للباراكوات، و0.982 للثيرام) عبر نطاقات تركيز تتراوح بين 0.01 و0.2 ملغم/كغم للباراكوات، وبين 0.001 و0.1 ملغم/كغم للثيرام، مما يُمكّن من تحديد الكميات بدقة. (يقارن الجدول 1 هذه النتائج مع الدراسات المنشورة، مع ملاحظة انخفاض حدود الكشف وقصر أوقات التكامل مقارنةً بدراسات مثل Chen et al., 2020 وHe et al., 2021).

إمكانية إعادة الإنتاج والدقة:

كانت الانحرافات المعيارية النسبية (RSDs) لشدة الذروة أقل من 10% عبر عدة مجسات، مما يشير إلى اتساق عالٍ. أظهرت تجارب معدل الاسترداد على العينات المدعمة (باراكوات بتركيز 0.15 و0.08 ملغم/كغم؛ ثيرام بتركيز 0.08 و0.03 ملغم/كغم) دقة تتراوح بين 86.7% و110.0%، مع انحرافات معيارية نسبية أقل من 10%، مما يؤكد دقة الطريقة في حساء الشاي الحقيقي. وشملت نسب الاسترداد النوعية 91.3% إلى 108.7% للباراكوات بتركيز 0.15 ملغم/كغم (انحراف معياري نسبي 7.1%) و86.7% إلى 110.0% للثيرام بتركيز 0.03 ملغم/كغم (انحراف معياري نسبي 9.8%). (يعرض الشكل 5أ-د أطياف SERS من اختبارات الاسترداد لكل تركيز مدعم؛ ويوضح الجدول 2 التركيزات المتوقعة ومعدلات الاسترداد والانحرافات المعيارية النسبية).

الكشف المتزامن:

نجحت الطريقة في الكشف عن بقايا الثيرام والباراكوات المختلطة بتركيز 0.1 ملغم/كغم لكل منهما، مع ظهور قمم مميزة رغم التنافس على الامتزاز، وإن كانت شدتها منخفضة (على سبيل المثال، انخفضت شدة قمة الباراكوات عند 1647 سم⁻¹ من 4355 إلى 3249 عدًا). ​​وهذا يدل على وجود نقاط ساخنة كافية لتحليل البقايا المتعددة في السوائل المعقدة. (يقارن الشكل 6 أطياف SERS للبقايا المختلطة (باللون الأسود) مقابل الباراكوات (باللون الأحمر) والثيرام (باللون الأزرق) منفردين؛ ويلخص الجدول 3 الأداء، بما في ذلك الانحراف المعياري النسبي 6.1% للباراكوات، والنطاقات الخطية، ومعدلات الاسترداد).

تسلط المقارنات مع الأدبيات الضوء على التفوق: انخفاض حدود الكشف مع أوقات كشف أقصر وبدون معالجة مسبقة، مما يجعلها مثالية للتطبيقات الميدانية.

الاستنتاجات والأثر الأوسع

يخلص الباحثون إلى أن طريقة مسبار SERS الليفي هذه توفر حلاً سريعًا وحساسًا للغاية وخاليًا من العلامات للكشف عن بقايا المبيدات في الأطعمة السائلة المعقدة مثل حساء الشاي. وبفضل الاستغناء عن استخلاص العينة، يقلل هذا الحل من وقت التحليل ويحسن الموثوقية، مما قد يتيح استخدامه في مشروبات أخرى أو في الرصد البيئي. ويؤكد هذا العمل على شمولية المجسات لمختلف المواد التحليلية وإمكانية الكشف المتزامن عن بقايا متعددة، مما يمهد الطريق لأدوات عملية في مجال إنفاذ سلامة الأغذية. وتشمل التوجهات المستقبلية دمج الذكاء الاصطناعي مع تقنية SERS لتحسين تحديد البقايا المتعددة في الأنظمة المعقدةs.

تحت إشراف تشاو تشانغ، لم يقتصر هذا المنشور على تطوير تقنية SERS فحسب، بل زوّد طلاب الدراسات العليا أيضًا بخبرة عملية في البحوث الابتكارية. وبصفته الرئيس التنفيذي لشركة KINGPO، يربط تشانغ بين الأوساط الأكاديمية والصناعية، مطبقًا هذه الإنجازات لتطوير أجهزة كشف ذكية. ويتماشى هذا الإنجاز مع معايير سلامة الغذاء العالمية، مثل معايير منظمة الصحة العالمية، ويُبرز إسهامات جامعة دونغقوان للتكنولوجيا الرائدة في مجال الوقاية الذكية من الكوارث والهندسة الحضرية.

للحصول على مزيد من التفاصيل، يمكن الاطلاع على الورقة البحثية الكاملة عبر الرابط التالي: DOI: 10.1016/j.jfca.2024.106520. ويبشر الإشراف المستمر الذي يشرف عليه تشانغ بمزيد من الابتكارات في مجال الاستشعار الكهروضوئي، مما يعزز الثقة في حلول سلامة الأغذية القائمة على العلم.

الكشف السريع والحساس عن بقايا المبيدات في حساء الشاي الحقيقي باستخدام مجسات SERS المصنوعة من الألياف البصرية