Σημαντική ανακάλυψη στην ασφάλεια των τροφίμων: Ο Διευθύνων Σύμβουλος της KINGPO, Chao Zhang, καθοδηγεί μεταπτυχιακούς φοιτητές να δημοσιεύσουν άρθρο του SCI για το δεύτερο τρίμηνο του 2 σχετικά με την ταχεία ανίχνευση φυτοφαρμάκων στο τσάι.

Dongguan, Κίνα – 10 25, 2024 – Σε μια σημαντική πρόοδο για την τεχνολογία ασφάλειας τροφίμων, ο Chao Zhang (γνωστός και ως Bruce Zhang), Διευθύνων Σύμβουλος της ΚΙΝΓΚΟ και ένας μεταπτυχιακός επιβλέπων στη Σχολή Ηλεκτρονικής Μηχανικής και Ευφυΐας του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου Dongguan, οδήγησε την ερευνητική του ομάδα να δημοσιεύσει μια πρωτοποριακή εργασία στο Εφημερίδα της Σύνθεσης και Ανάλυσης Τροφίμων (SCI Q2, Συντελεστής Επιπτώσεων ~3.8). Η μελέτη, με τίτλο «Ταχεία και ευαίσθητη in-situ ανίχνευση υπολειμμάτων φυτοφαρμάκων σε πραγματική σούπα τσαγιού με ανιχνευτές SERS οπτικών ινών», καταδεικνύει μια καινοτόμο μέθοδο για την ανίχνευση υπολειμμάτων φυτοφαρμάκων απευθείας σε σούπα τσαγιού χωρίς πολύπλοκη προετοιμασία δείγματος. Αυτή η εργασία υπογραμμίζει την εμπειρία του Zhang στην οπτοηλεκτρονική και τη δέσμευσή του να καθοδηγήσει την επόμενη γενιά επιστημόνων, συνδυάζοντας την ακαδημαϊκή αυστηρότητα με πρακτικές εφαρμογές στον έλεγχο της ποιότητας των τροφίμων.

Ως έμπειρος ηγέτης στον τομέα της ηλεκτρονικής και της ευφυΐας, ο Chao Zhang έχει επιβλέψει πολυάριθμους μεταπτυχιακούς φοιτητές, ενθαρρύνοντας διεπιστημονική έρευνα που αντιμετωπίζει προκλήσεις του πραγματικού κόσμου. Σε αυτό το έργο, ο Zhang συνεργάστηκε με τον κύριο συγγραφέα Chengbin Cai και συν-συγγραφείς όπως οι Fei Zhou, Rang Chu, Hai Ye, Lingling Shui και Ye Liu, όλοι συνδεδεμένοι με το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Dongguan και συναφή ιδρύματα. Η έρευνα, η οποία έγινε δεκτή στις 8 Ιουλίου 2024 και δημοσιεύθηκε στο διαδίκτυο λίγο αργότερα, υπογραμμίζει τον ρόλο του πανεπιστημίου στην προώθηση των τεχνολογιών αστικής μηχανικής μέσω του Επαρχιακού Κλειδιού της Γκουανγκντόνγκ.

Βασικές Καινοτομίες και Μεθοδολογία

Η εργασία ασχολείται με ένα κρίσιμο ζήτημα στην κατανάλωση τσαγιού: την παρουσία υπολειμμάτων φυτοφαρμάκων στη σούπα τσαγιού, η οποία μπορεί να θέσει σε κίνδυνο την υγεία παρά τα διατροφικά οφέλη του τσαγιού, όπως οι πολυφαινόλες και η καφεΐνη. Οι παραδοσιακές μέθοδοι ανίχνευσης, όπως η αέρια χρωματογραφία-φασματομετρία μάζας (GC-MS) ή η υγρή χρωματογραφία υψηλής απόδοσης (HPLC), απαιτούν χρονοβόρα προεπεξεργασία δειγμάτων και επαγγελματική εμπειρία, περιορίζοντας τη χρήση τους για ταχείες, επιτόπιες δοκιμές.

Η ομάδα του Zhang εισήγαγε μια νέα προσέγγιση ανίχνευσης in situ χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία επιφανειακής σκέδασης Raman (SERS) ενσωματωμένη με οπτικούς αισθητήρες ινών. Τα κύρια σημεία περιλαμβάνουν:

Κατασκευή ανιχνευτή:

Οι ερευνητές ανέπτυξαν ανιχνευτές ινών SERS υψηλής απόδοσης με μοτίβο συστάδων χρυσού-νανορόδου (AuNR) χρησιμοποιώντας μια μέθοδο αυτοσυναρμολόγησης με επαγωγή λέιζερ (LIESAM). Αυτή η αυτοματοποιημένη διαδικασία περιλαμβάνει την εμβάπτιση και την έλξη ινών πυριτίου πολλαπλών τρόπων μέσω κολλοειδούς AuNR υπό επαγωγή λέιζερ, βελτιστοποιημένη σε 17 κύκλους για μέγιστα σημεία SERS. Η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) επιβεβαίωσε την ομοιόμορφη κατανομή των συστάδων AuNR, παρέχοντας πολυάριθμες θέσεις ενίσχυσης για τα σήματα Raman. (Το Σχήμα 2c δείχνει μια τυπική εικόνα SEM της βελτιστοποιημένης όψης ινών με πυκνά συσκευασμένα συστάδες AuNR.)

Διαδικασία ανίχνευσης επί τόπου:

Οι ανιχνευτές απλώς βυθίζονται σε μολυσμένα δείγματα σούπας τσαγιού που παρασκευάζονται με εμβάπτιση φύλλων πράσινου τσαγιού που έχουν ψεκαστεί με φυτοφάρμακα. Δεν απαιτούνται βήματα εκχύλισης ή συμπύκνωσης, επιτρέποντας μετρήσεις "εμβάπτισης-ξηρής εμβάπτισης" με φορητό φασματόμετρο Raman (διέγερση 785 nm, χρόνος ολοκλήρωσης 500 ms). (Το Σχήμα 1α απεικονίζει το σχηματικό διάγραμμα για την παρασκευή μολυσμένων δειγμάτων σούπας τσαγιού· το Σχήμα 1β δείχνει την πειραματική διάταξη για την ανίχνευση SERS.)

Στοχευμένα φυτοφάρμακα:

Η μέθοδος δοκιμάστηκε σε thiram (μυκητοκτόνο) και paraquat (ζιζανιοκτόνο), που είναι κοινά στην παραγωγή τσαγιού. Τα φάσματα SERS αποκάλυψαν διακριτές κορυφές δακτυλικών αποτυπωμάτων, επιτρέποντας την επιλεκτική ταυτοποίηση ανάμεσα στο σύνθετο πλέγμα θρεπτικών συστατικών της σούπας τσαγιού, όπως η καφεΐνη και οι κατεχίνες. (Το Σχήμα 3α συγκρίνει τα φάσματα SERS καθαρής σούπας τσαγιού και σούπας τσαγιού μολυσμένης με paraquat, επισημαίνοντας κορυφές στα 837, 1191, 1292, 1534 και 1647 cm⁻¹ για το paraquat. Το Σχήμα 3β δείχνει φασματική αναπαραγωγιμότητα με RSD 6.1% στα 1647 cm⁻¹.)

Αυτή η τεχνική αξιοποιεί την ενσωματωμένη συλλογή σημάτων των οπτικών ινών, ελαχιστοποιώντας τις παρεμβολές από τα συστατικά του τσαγιού, ενώ παράλληλα ενισχύει τα σήματα φυτοφαρμάκων μέσω ηλεκτρομαγνητικής ενίσχυσης από τα hotspots του AuNR.

Βασικά Αποτελέσματα και Απόδοση

Η μελέτη πέτυχε εντυπωσιακή ευαισθησία και αξιοπιστία:

Όρια ανίχνευσης (DL):

1.0 μg/kg (0.001 mg/kg) για το thiram και 10.0 μg/kg (0.01 mg/kg) για το paraquat, ξεπερνώντας πολλές προηγούμενες μεθόδους SERS που βασίζονταν σε εκχυλισμένα φύλλα τσαγιού ή σκόνες. Αυτά τα όρια προσδιορίστηκαν ως οι χαμηλότερες συγκεντρώσεις όπου οι χαρακτηριστικές κορυφές (π.χ., 1369 cm⁻¹ για το thiram, 1647 cm⁻¹ για το paraquat) παρέμειναν διακριτές. (Τα Σχήματα 4α και 4γ δείχνουν φάσματα SERS που εξαρτώνται από τη συγκέντρωση για το paraquat και το thiram. Τα Σχήματα 4β και 4δ εμφανίζουν καμπύλες βαθμονόμησης log-log.)

Ποσοτική ανάλυση:

Οι καμπύλες βαθμονόμησης log-log έδειξαν ισχυρή γραμμικότητα (R² = 0.990 για το paraquat, 0.982 για το thiram) σε εύρη συγκεντρώσεων 0.01–0.2 mg/kg για το paraquat και 0.001–0.1 mg/kg για το thiram, επιτρέποντας την ακριβή ποσοτικοποίηση. (Ο Πίνακας 1 συγκρίνει αυτό με τη βιβλιογραφία, σημειώνοντας χαμηλότερα DLs και μικρότερους χρόνους ολοκλήρωσης σε σύγκριση με εργασίες όπως οι Chen et al., 2020, και He et al., 2021.)

Αναπαραγωγιμότητα και ακρίβεια:

Οι σχετικές τυπικές αποκλίσεις (RSD) των εντάσεων κορυφής ήταν κάτω από 10% σε πολλαπλούς ανιχνευτές, υποδεικνύοντας υψηλή συνέπεια. Τα πειράματα ρυθμού ανάκτησης σε εμβολιασμένα δείγματα (paraquat στα 0.15 και 0.08 mg/kg· thiram στα 0.08 και 0.03 mg/kg) απέδωσαν ακρίβεια 86.7–110.0%, με RSD κάτω από 10%, επιβεβαιώνοντας την ακρίβεια της μεθόδου σε πραγματική σούπα τσαγιού. Οι συγκεκριμένες ανακτήσεις περιελάμβαναν 91.3–108.7% για το paraquat στα 0.15 mg/kg (RSD 7.1%) και 86.7–110.0% για το thiram στα 0.03 mg/kg (RSD 9.8%). (Το Σχήμα 5a–d εμφανίζει φάσματα SERS από δοκιμές ανάκτησης για κάθε εμβολιασμένη συγκέντρωση· ο Πίνακας 2 περιγράφει λεπτομερώς τις προβλεπόμενες συγκεντρώσεις, τα ποσοστά ανάκτησης και τα RSD.)

Ταυτόχρονη ανίχνευση:

Η μέθοδος ανίχνευσε με επιτυχία μικτά υπολείμματα thiram και paraquat σε συγκέντρωση 0.1 mg/kg έκαστο, με χαρακτηριστικές κορυφές ορατές παρά την ανταγωνιστική προσρόφηση, αν και οι εντάσεις μειώθηκαν (π.χ., η κορυφή 1647 cm⁻¹ για το paraquat μειώθηκε από 4355 σε 3249 μετρήσεις). Αυτό καταδεικνύει επαρκή θερμά σημεία για ανάλυση πολλαπλών υπολειμμάτων σε σύνθετα υγρά. (Το Σχήμα 6 συγκρίνει τα φάσματα SERS μικτών υπολειμμάτων (μαύρο) έναντι μεμονωμένου paraquat (κόκκινο) και thiram (μπλε). Ο Πίνακας 3 συνοψίζει την απόδοση, συμπεριλαμβανομένου του RSD 6.1% για το paraquat, των γραμμικών εύρων και των ρυθμών ανάκτησης.)

Οι συγκρίσεις με τη βιβλιογραφία υπογραμμίζουν την ανωτερότητα: χαμηλότερα DLs με μικρότερους χρόνους ανίχνευσης και χωρίς προεπεξεργασία, καθιστώντας το ιδανικό για εφαρμογές πεδίου.

Συμπεράσματα και ευρύτερος αντίκτυπος

Οι ερευνητές καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι αυτή η μέθοδος ανιχνευτή ινών SERS προσφέρει μια γρήγορη, χωρίς ετικέτα και εξαιρετικά ευαίσθητη λύση για την ανίχνευση υπολειμμάτων φυτοφαρμάκων σε σύνθετα υγρά τρόφιμα όπως η σούπα τσαγιού. Εξαλείφοντας την εξαγωγή δειγμάτων, μειώνει τον χρόνο ανάλυσης και βελτιώνει την αξιοπιστία, ενδεχομένως επεκτείνοντας σε άλλα ποτά ή την περιβαλλοντική παρακολούθηση. Η εργασία δίνει έμφαση στην καθολικότητα των ανιχνευτών για διάφορους αναλυτές και στη δυνατότητα ταυτόχρονης ανίχνευσης πολλαπλών υπολειμμάτων, ανοίγοντας το δρόμο για πρακτικά εργαλεία στην επιβολή της ασφάλειας των τροφίμων. Οι μελλοντικές κατευθύνσεις περιλαμβάνουν τον συνδυασμό της τεχνητής νοημοσύνης με... SERS για βελτιωμένη αναγνώριση πολλαπλών υπολειμμάτων σε πολύπλοκα συστήματαs.

Υπό την καθοδήγηση του Chao Zhang, η παρούσα δημοσίευση όχι μόνο προωθεί την τεχνολογία SERS, αλλά και εξοπλίζει τους μεταπτυχιακούς φοιτητές με πρακτική εμπειρία στην καινοτόμο έρευνα. Ως Διευθύνων Σύμβουλος του KINGPO, ο Zhang γεφυρώνει τον ακαδημαϊκό χώρο και τη βιομηχανία, εφαρμόζοντας τέτοιες καινοτομίες για την ανάπτυξη έξυπνων συσκευών ανίχνευσης. Αυτό το επίτευγμα ευθυγραμμίζεται με τα παγκόσμια πρότυπα ασφάλειας τροφίμων, όπως αυτά του Παγκόσμιου Οργανισμού Υγείας, και καταδεικνύει την έγκυρη συμβολή του Τεχνολογικού Πανεπιστημίου Dongguan στην έξυπνη πρόληψη καταστροφών και την αστική μηχανική.

Για περισσότερες λεπτομέρειες, το πλήρες άρθρο είναι διαθέσιμο μέσω του DOI: 10.1016/j.jfca.2024.106520. Η συνεχιζόμενη εποπτεία του Zhang υπόσχεται περαιτέρω καινοτομίες στην οπτοηλεκτρονική ανίχνευση, ενισχύοντας την εμπιστοσύνη στις επιστημονικά βασισμένες λύσεις για την ασφάλεια των τροφίμων.

Ταχεία και ευαίσθητη επιτόπια ανίχνευση υπολειμμάτων φυτοφαρμάκων σε πραγματική σούπα τσαγιού με αισθητήρες SERS οπτικών ινών