Dongguan, China – 25.10.2024 – Ein bedeutender Fortschritt für die Lebensmittelsicherheitstechnologie: Chao Zhang (auch bekannt als Bruce Zhang), CEO von KINGPO und ein Doktorvater an der Fakultät für Elektrotechnik und Künstliche Intelligenz der Technischen Universität Dongguan hat sein Forschungsteam zur Veröffentlichung einer bahnbrechenden Arbeit geführt. Journal of Food Zusammensetzung und Analyse (SCI Q2, Impact Factor ~3.8). Die Studie mit dem Titel „Schneller und sensitiver In-situ-Nachweis von Pestizidrückständen in realer Teesuppe mittels optischer Faser-SERS-Sonden“ demonstriert eine innovative Methode zum direkten Nachweis von Pestizidrückständen in Teesuppe ohne aufwendige Probenvorbereitung. Diese Arbeit unterstreicht Zhangs Expertise in der Optoelektronik und sein Engagement für die Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses, indem sie akademische Strenge mit praktischen Anwendungen in der Lebensmittelqualitätskontrolle verbindet.
Als erfahrener Experte im Bereich Elektronik und intelligente Systeme hat Chao Zhang zahlreiche Doktoranden betreut und interdisziplinäre Forschung gefördert, die sich mit realen Herausforderungen auseinandersetzt. In diesem Projekt arbeitete Zhang mit dem Erstautor Chengbin Cai und den Koautoren Fei Zhou, Rang Chu, Hai Ye, Lingling Shui und Ye Liu zusammen, die alle der Technischen Universität Dongguan und verwandten Institutionen angehören. Die am 8. Juli 2024 angenommene und kurz darauf online veröffentlichte Studie unterstreicht die Rolle der Universität bei der Weiterentwicklung von Technologien für die urbane Infrastruktur durch ihr Guangdong Provincial Key Laboratory.
Kerninnovationen und Methodik
Die Studie befasst sich mit einem kritischen Problem beim Teekonsum: dem Vorhandensein von Pestizidrückständen in Teeaufguss, die trotz der ernährungsphysiologischen Vorteile von Tee, wie Polyphenolen und Koffein, gesundheitliche Risiken bergen können. Herkömmliche Nachweismethoden wie die Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) oder die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) erfordern eine zeitaufwändige Probenvorbereitung und Fachkenntnisse, was ihren Einsatz für schnelle Vor-Ort-Tests einschränkt.
Zhangs Team stellte ein neuartiges In-situ-Detektionsverfahren vor, das auf oberflächenverstärkter Raman-Streuung (SERS) und optischen Fasersonden basiert. Zu den wichtigsten Ergebnissen zählen:
Sondenherstellung:
Die Forscher entwickelten mithilfe eines laserinduzierten Verdampfungsverfahrens (LIESAM) Hochleistungs-SERS-Fasersonden, die mit Goldnanostab-Clustern (AuNR) strukturiert sind. Dieser automatisierte Prozess beinhaltet das Eintauchen und Ziehen von Multimode-Quarzglasfasern durch ein AuNR-Kolloid unter Laserbestrahlung. Für maximale SERS-Hotspots wurde der Prozess auf 17 Zyklen optimiert. Rasterelektronenmikroskopische (REM) Aufnahmen bestätigten die gleichmäßige Verteilung der AuNR-Cluster, wodurch zahlreiche Verstärkungsstellen für Raman-Signale entstehen. (Abbildung 2c zeigt eine typische REM-Aufnahme der optimierten Faserendfläche mit dicht gepackten AuNR-Clustern.)
In-situ-Detektionsverfahren:
Die Sonden werden einfach in kontaminierte Teeaufgussproben eingetaucht, die durch Aufbrühen von mit Pestiziden besprühten Grünteeblättern hergestellt werden. Extraktions- oder Konzentrationsschritte sind nicht erforderlich, wodurch „Tauch-Trocken-Tauch“-Messungen mit einem tragbaren Raman-Spektrometer (785 nm Anregung, 500 ms Integrationszeit) möglich sind. (Abbildung 1a zeigt das Schema zur Herstellung der kontaminierten Teeaufgussproben; Abbildung 1b zeigt den Versuchsaufbau für die SERS-Detektion.)
Ziel-Pestizide:
Die Methode wurde an Thiram (einem Fungizid) und Paraquat (einem Herbizid), die häufig in der Teeproduktion eingesetzt werden, getestet. SERS-Spektren zeigten charakteristische Fingerabdruckpeaks, die eine selektive Identifizierung inmitten der komplexen Nährstoffmatrix des Teeaufgusses, die auch Koffein und Catechine enthält, ermöglichten. (Abbildung 3a vergleicht die SERS-Spektren von reinem und mit Paraquat kontaminiertem Teeaufguss und hebt die Peaks bei 837, 1191, 1292, 1534 und 1647 cm⁻¹ für Paraquat hervor; Abbildung 3b zeigt die spektrale Reproduzierbarkeit mit einer relativen Standardabweichung (RSD) von 6.1 % bei 1647 cm⁻¹.)
Diese Technik nutzt die integrierte Signalerfassung der Fasersonden, wodurch Störungen durch Teebestandteile minimiert und gleichzeitig Pestizidsignale durch elektromagnetische Verstärkung von AuNR-Hotspots verstärkt werden.
Wichtigste Ergebnisse und Leistung
Die Studie erreichte eine beeindruckende Sensitivität und Zuverlässigkeit:
Nachweisgrenzen (DL):
1.0 μg/kg (0.001 mg/kg) für Thiram und 10.0 μg/kg (0.01 mg/kg) für Paraquat. Damit werden viele bisherige SERS-Methoden, die auf extrahierten Teeblättern oder -pulvern basierten, übertroffen. Diese Grenzwerte wurden als die niedrigsten Konzentrationen bestimmt, bei denen charakteristische Peaks (z. B. 1369 cm⁻¹ für Thiram, 1647 cm⁻¹ für Paraquat) noch erkennbar waren. (Abbildung 4a und 4c zeigen konzentrationsabhängige SERS-Spektren für Paraquat und Thiram; Abbildung 4b und 4d zeigen doppeltlogarithmische Kalibrierkurven.)
Quantitative Analyse:
Die doppeltlogarithmischen Kalibrierkurven zeigten eine hohe Linearität (R² = 0.990 für Paraquat, 0.982 für Thiram) über Konzentrationsbereiche von 0.01–0.2 mg/kg für Paraquat und 0.001–0.1 mg/kg für Thiram, was eine genaue Quantifizierung ermöglichte. (Tabelle 1 vergleicht dies mit der Literatur und weist auf niedrigere Bestimmungsgrenzen und kürzere Integrationszeiten im Vergleich zu Arbeiten wie Chen et al., 2020, und He et al., 2021 hin.)
Reproduzierbarkeit und Genauigkeit:
Die relativen Standardabweichungen (RSD) der Peakintensitäten lagen über mehrere Messungen hinweg unter 10 %, was auf eine hohe Konsistenz hinweist. Wiederfindungsraten-Experimente an angereicherten Proben (Paraquat: 0.15 und 0.08 mg/kg; Thiram: 0.08 und 0.03 mg/kg) ergaben eine Genauigkeit von 86.7–110.0 % mit RSD unter 10 %, was die Präzision der Methode in realer Teeaufgüssen bestätigt. Die spezifischen Wiederfindungsraten lagen bei 91.3–108.7 % für Paraquat (0.15 mg/kg; RSD 7.1 %) und bei 86.7–110.0 % für Thiram (0.03 mg/kg; RSD 9.8 %). (Abbildung 5a–d zeigt die SERS-Spektren der Wiederfindungsversuche für jede angereicherte Konzentration; Tabelle 2 enthält die vorhergesagten Konzentrationen, Wiederfindungsraten und RSD.)
Gleichzeitige Erkennung:
Die Methode detektierte erfolgreich gemischte Thiram- und Paraquat-Rückstände in Konzentrationen von jeweils 0.1 mg/kg. Charakteristische Peaks waren trotz konkurrierender Adsorption sichtbar, wenngleich die Intensitäten reduziert waren (z. B. sank der Peak bei 1647 cm⁻¹ für Paraquat von 4355 auf 3249 Counts). Dies belegt die ausreichende Anzahl an Hotspots für die Multirückstandsanalyse in komplexen Flüssigkeiten. (Abbildung 6 vergleicht die SERS-Spektren von gemischten Rückständen (schwarz) mit denen von Paraquat (rot) und Thiram (blau); Tabelle 3 fasst die Ergebnisse zusammen, einschließlich der relativen Standardabweichung (RSD) von 6.1 % für Paraquat, der linearen Bereiche und der Wiederfindungsraten.)
Vergleiche mit der Fachliteratur unterstreichen die Überlegenheit: niedrigere Nachweisgrenzen bei kürzeren Detektionszeiten und ohne Vorbehandlung, wodurch es sich ideal für Feldanwendungen eignet.
Schlussfolgerungen und weitergehende Auswirkungen
Die Forscher kommen zu dem Schluss, dass diese Faser-SERS-Sondenmethode eine schnelle, markierungsfreie und hochempfindliche Lösung zum Nachweis von Pestizidrückständen in komplexen flüssigen Lebensmitteln wie Teesuppe bietet. Durch den Verzicht auf die Probenextraktion verkürzt sie die Analysezeit und verbessert die Zuverlässigkeit. Das Verfahren lässt sich potenziell auf andere Getränke oder die Umweltüberwachung ausweiten. Die Arbeit unterstreicht die universelle Anwendbarkeit der Sonden für verschiedene Analyten und ihre Eignung für den simultanen Nachweis mehrerer Rückstände. Dies ebnet den Weg für praktische Werkzeuge zur Durchsetzung der Lebensmittelsicherheit. Zukünftige Forschungsrichtungen umfassen die Kombination von künstlicher Intelligenz mit … SERS zur verbesserten Identifizierung mehrerer Aminosäurereste in komplexen Systemens.
Unter der Mentorschaft von Chao Zhang trägt diese Publikation nicht nur zur Weiterentwicklung der SERS-Technologie bei, sondern ermöglicht auch Doktoranden, praktische Erfahrungen in innovativer Forschung zu sammeln. Als CEO von KINGPO schlägt Zhang eine Brücke zwischen Wissenschaft und Industrie und nutzt solche Durchbrüche zur Entwicklung intelligenter Detektionsgeräte. Diese Errungenschaft entspricht globalen Lebensmittelsicherheitsstandards, wie beispielsweise denen der Weltgesundheitsorganisation, und unterstreicht den maßgeblichen Beitrag der Technischen Universität Dongguan zur intelligenten Katastrophenprävention und Stadtplanung.
Weitere Details finden Sie im vollständigen Artikel unter DOI: 10.1016/j.jfca.2024.106520. Zhangs laufende Betreuung verspricht weitere Innovationen im Bereich der optoelektronischen Sensorik und stärkt das Vertrauen in wissenschaftlich fundierte Lösungen für die Lebensmittelsicherheit.
mit optischen Faser-SERS-Sonden
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