Dongguan, China – 25 10, 2024 – En un avance significativo para la tecnología de seguridad alimentaria, Chao Zhang (también conocido como Bruce Zhang), director ejecutivo de KINGPO y supervisor de posgrado en la Escuela de Ingeniería Electrónica e Intelligentización de la Universidad de Tecnología de Dongguan, ha llevado a su equipo de investigación a publicar un artículo innovador en Revista de Composición y Análisis de Alimentos (SCI Q2, Factor de Impacto ~3.8). El estudio, titulado “Detección in situ rápida y sensible de residuos de pesticidas en sopa de té real con sondas SERS de fibra óptica”, demuestra un método innovador para detectar residuos de pesticidas directamente en sopa de té sin una preparación compleja de muestras. Este trabajo destaca la experiencia de Zhang en optoelectrónica y su compromiso de guiar a la próxima generación de científicos, combinando el rigor académico con aplicaciones prácticas en el control de calidad de alimentos.
Como líder experimentado en el campo de la electrónica y la inteligencia artificial, Chao Zhang ha supervisado a numerosos estudiantes de posgrado, impulsando la investigación interdisciplinaria que aborda desafíos del mundo real. En este proyecto, Zhang colaboró con el autor principal, Chengbin Cai, y con coautores como Fei Zhou, Rang Chu, Hai Ye, Lingling Shui y Ye Liu, todos afiliados a la Universidad Tecnológica de Dongguan e instituciones afines. La investigación, aceptada el 8 de julio de 2024 y publicada en línea poco después, destaca el papel de la universidad en el avance de las tecnologías de ingeniería de líneas vitales urbanas a través de su Laboratorio Clave Provincial de Guangdong.
Innovaciones y metodología fundamentales
El artículo aborda un problema crítico en el consumo de té: la presencia de residuos de pesticidas en la sopa de té, que puede suponer riesgos para la salud a pesar de sus beneficios nutricionales, como los polifenoles y la cafeína. Los métodos de detección tradicionales, como la cromatografía de gases-espectrometría de masas (GC-MS) o la cromatografía líquida de alta resolución (HPLC), requieren un pretratamiento de muestras laborioso y la experiencia de profesionales, lo que limita su uso para análisis rápidos in situ.
El equipo de Zhang introdujo un novedoso método de detección in situ mediante espectroscopia de dispersión Raman mejorada en superficie (SERS) integrada con sondas de fibra óptica. Entre los aspectos más destacados se incluyen:
Fabricación de sondas:
Los investigadores desarrollaron sondas SERS de fibra de alto rendimiento con patrones de cúmulos de nanobarras de oro (AuNR) mediante un método de autoensamblaje por evaporación inducida por láser (LIESAM). Este proceso automatizado consiste en sumergir y estirar fibras de sílice multimodo a través de un coloide de AuNR bajo inducción láser, optimizado a 17 ciclos para maximizar los puntos calientes SERS. La microscopía electrónica de barrido (MEB) confirmó la distribución uniforme de los cúmulos de AuNR, lo que proporciona numerosos sitios de mejora para las señales Raman. (La Figura 2c muestra una imagen típica de MEB de la faceta de fibra optimizada con cúmulos de AuNR densamente empaquetados).
Proceso de detección in situ:
Las sondas se sumergen simplemente en muestras de sopa de té contaminada, preparadas mediante la maceración de hojas de té verde rociadas con pesticidas. No se requieren pasos de extracción ni concentración, lo que permite realizar mediciones de inmersión-secado-inmersión con un espectrómetro Raman portátil (excitación de 785 nm, tiempo de integración de 500 ms). (La Figura 1a ilustra el esquema para la preparación de muestras de sopa de té contaminada; la Figura 1b muestra la configuración experimental para la detección SERS).
Pesticidas objetivo:
El método se probó con tiram (un fungicida) y paraquat (un herbicida), comunes en la producción de té. Los espectros SERS revelaron picos de huella genética distintivos, lo que permitió la identificación selectiva en la compleja matriz de nutrientes de la sopa de té, como la cafeína y las catequinas. (La Figura 3a compara los espectros SERS de la sopa de té limpia y la sopa de té contaminada con paraquat, destacando los picos a 837, 1191, 1292, 1534 y 1647 cm⁻¹ para el paraquat; la Figura 3b muestra la reproducibilidad espectral con una desviación estándar relativa (DER) del 6.1 % a 1647 cm⁻¹).
Esta técnica aprovecha la recopilación de señales integradas de las sondas de fibra, minimizando la interferencia de los componentes del té y amplificando al mismo tiempo las señales de los pesticidas a través de la mejora electromagnética de los puntos críticos de AuNR.
Resultados clave y rendimiento
El estudio logró una sensibilidad y confiabilidad impresionantes:
Límites de detección (DL):
1.0 μg/kg (0.001 mg/kg) para tiram y 10.0 μg/kg (0.01 mg/kg) para paraquat, superando así muchos métodos SERS previos que se basaban en hojas de té extraídas o polvos. Estos límites se determinaron como las concentraciones más bajas donde los picos característicos (p. ej., 1369 cm⁻¹ para tiram, 1647 cm⁻¹ para paraquat) permanecieron perceptibles. (Las Figuras 4a y 4c muestran los espectros SERS dependientes de la concentración para paraquat y tiram; las Figuras 4b y 4d muestran las curvas de calibración logarítmica).
Análisis cuantitativo:
Las curvas de calibración logarítmicas mostraron una marcada linealidad (R² = 0.990 para paraquat, 0.982 para tiram) en rangos de concentración de 0.01 a 0.2 mg/kg para paraquat y de 0.001 a 0.1 mg/kg para tiram, lo que permitió una cuantificación precisa. (La Tabla 1 compara esto con la literatura, señalando DL más bajos y tiempos de integración más cortos en comparación con trabajos como los de Chen et al., 2020, y He et al., 2021).
Reproducibilidad y precisión:
Las desviaciones estándar relativas (DER) de las intensidades máximas fueron inferiores al 10 % en múltiples sondas, lo que indica una alta consistencia. Los experimentos de tasa de recuperación con muestras enriquecidas (paraquat a 0.15 y 0.08 mg/kg; tiram a 0.08 y 0.03 mg/kg) arrojaron una precisión del 86.7 % al 110.0 %, con DE inferiores al 10 %, lo que confirma la precisión del método en sopa de té real. Las recuperaciones específicas fueron del 91.3 % al 108.7 % para paraquat a 0.15 mg/kg (DER 7.1 %) y del 86.7 % al 110.0 % para tiram a 0.03 mg/kg (DER 9.8 %). (Las figuras 5a-d muestran los espectros SERS de las pruebas de recuperación para cada concentración enriquecida; la tabla 2 detalla las concentraciones previstas, las tasas de recuperación y las DE).
Detección simultánea:
El método detectó con éxito residuos mixtos de tiram y paraquat a 0.1 mg/kg cada uno, con picos característicos visibles a pesar de la adsorción competitiva, aunque las intensidades se redujeron (p. ej., el pico de 1647 cm⁻¹ para paraquat se redujo de 4355 a 3249 recuentos). Esto demuestra suficientes puntos calientes para el análisis de múltiples residuos en líquidos complejos. (La Figura 6 compara los espectros SERS de residuos mixtos (negro) con paraquat (rojo) y tiram (azul) individuales; la Tabla 3 resume el rendimiento, incluyendo la desviación estándar relativa (DER) del 6.1 % para paraquat, los rangos lineales y las tasas de recuperación).
Las comparaciones con la literatura resaltan la superioridad: DL más bajos con tiempos de detección más cortos y sin pretratamiento, lo que lo hace ideal para aplicaciones de campo.
Conclusiones e impacto más amplio
Los investigadores concluyen que este método de sonda SERS de fibra ofrece una solución rápida, sin etiquetas y altamente sensible para detectar residuos de pesticidas en alimentos líquidos complejos como la sopa de té. Al eliminar la extracción de muestras, reduce el tiempo de análisis y mejora la confiabilidad, lo que podría extenderse a otras bebidas o al monitoreo ambiental. El trabajo enfatiza la universalidad de las sondas para diversos analitos y la viabilidad de la detección simultánea de múltiples residuos, allanando el camino para herramientas prácticas en la aplicación de la seguridad alimentaria. Las futuras direcciones incluyen la combinación de inteligencia artificial con SERS para una mejor identificación de múltiples residuos en sistemas complejoss.
Bajo la tutela de Chao Zhang, esta publicación no solo impulsa la tecnología SERS, sino que también proporciona a los estudiantes de posgrado experiencia práctica en investigación innovadora. Como director ejecutivo de KINGPO, Zhang conecta el mundo académico con la industria, aplicando estos avances al desarrollo de dispositivos de detección inteligentes. Este logro se alinea con los estándares globales de seguridad alimentaria, como los de la Organización Mundial de la Salud, y demuestra las prestigiosas contribuciones de la Universidad Tecnológica de Dongguan a la prevención inteligente de desastres y la ingeniería urbana.
Para más detalles, el artículo completo está disponible en DOI: 10.1016/j.jfca.2024.106520. La supervisión continua de Zhang promete nuevas innovaciones en detección optoelectrónica, lo que refuerza la confianza en las soluciones de seguridad alimentaria basadas en la ciencia.
con sondas SERS de fibra óptica
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