Dongguan, Chine – 25/10/2024 – Dans une avancée significative pour la technologie de sécurité alimentaire, Chao Zhang (également connu sous le nom de Bruce Zhang), PDG de KINGPO et un directeur de thèse à l'École d'ingénierie électronique et d'intelligence artificielle de l'Université de technologie de Dongguan, a dirigé son équipe de recherche dans la publication d'un article novateur dans le Journal de la composition et de l'analyse des aliments (SCI Q2, facteur d'impact ~3.8). L'étude, intitulée « Détection in situ rapide et sensible des résidus de pesticides dans une infusion de thé à l'aide de sondes SERS à fibre optique », présente une méthode innovante de détection directe des résidus de pesticides dans l'infusion de thé, sans préparation complexe de l'échantillon. Ces travaux témoignent de l'expertise de Zhang en optoélectronique et de son engagement à former la prochaine génération de scientifiques, alliant rigueur académique et applications pratiques dans le domaine du contrôle de la qualité alimentaire.
Expert reconnu dans le domaine de l'électronique et de l'intelligence artificielle, Chao Zhang a encadré de nombreux doctorants et étudiants, favorisant la recherche interdisciplinaire pour relever les défis du monde réel. Dans le cadre de ce projet, il a collaboré avec Chengbin Cai, auteur principal, et Fei Zhou, Rang Chu, Hai Ye, Lingling Shui et Ye Liu, tous affiliés à l'Université de technologie de Dongguan et à des institutions apparentées. Cette recherche, acceptée le 8 juillet 2024 et publiée en ligne peu après, souligne le rôle de l'université dans le développement des technologies d'ingénierie des infrastructures urbaines essentielles, grâce à son Laboratoire clé provincial du Guangdong.
Innovations fondamentales et méthodologie
Cet article aborde un problème crucial lié à la consommation de thé : la présence de résidus de pesticides dans l’infusion, qui peut engendrer des risques pour la santé malgré les bienfaits nutritionnels du thé, tels que sa richesse en polyphénols et en caféine. Les méthodes de détection traditionnelles, comme la chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse (GC-MS) ou la chromatographie liquide à haute performance (HPLC), nécessitent un prétraitement des échantillons long et complexe ainsi qu’une expertise technique, ce qui limite leur utilisation pour des analyses rapides sur site.
L'équipe de Zhang a introduit une nouvelle approche de détection in situ utilisant la spectroscopie Raman à effet de surface (SERS) intégrée à des sondes à fibres optiques. Principaux points saillants :
Fabrication de sondes:
Les chercheurs ont mis au point des sondes SERS à fibre optique haute performance, structurées par des agrégats de nanobâtonnets d'or (AuNR), grâce à une méthode d'auto-assemblage par évaporation induite par laser (LIESAM). Ce procédé automatisé consiste à immerger et à retirer des fibres de silice multimodes à travers un colloïde d'AuNR sous induction laser, optimisé à 17 cycles pour un maximum de points chauds SERS. La microscopie électronique à balayage (MEB) a confirmé la distribution homogène des agrégats d'AuNR, offrant de nombreux sites d'amplification des signaux Raman. (La figure 2c présente une image MEB typique de la facette de fibre optimisée avec des agrégats d'AuNR densément compactés.)
Processus de détection in situ:
Les sondes sont simplement immergées dans des échantillons de thé vert contaminés, préparés par infusion de feuilles de thé traitées aux pesticides. Aucune étape d'extraction ou de concentration n'est nécessaire, ce qui permet des mesures « immersion-séchage-immersion » avec un spectromètre Raman portable (excitation à 785 nm, temps d'intégration de 500 ms). (La figure 1a illustre le schéma de préparation des échantillons de thé vert contaminés ; la figure 1b présente le dispositif expérimental pour la détection SERS.)
Pesticides ciblés:
La méthode a été testée sur le thirame (un fongicide) et le paraquat (un herbicide), couramment utilisés dans la production de thé. Les spectres SERS ont révélé des pics caractéristiques distincts, permettant une identification sélective au sein de la matrice complexe de nutriments tels que la caféine et les catéchines présents dans l'infusion de thé. (La figure 3a compare les spectres SERS d'une infusion de thé pure et d'une infusion de thé contaminée par le paraquat, mettant en évidence les pics à 837, 1191, 1292, 1534 et 1647 cm⁻¹ pour le paraquat ; la figure 3b démontre la reproductibilité spectrale avec un coefficient de variation (CV) de 6.1 % à 1647 cm⁻¹.)
Cette technique tire parti de la collecte de signaux intégrée des sondes à fibre optique, minimisant les interférences des composants du thé tout en amplifiant les signaux des pesticides grâce à l'amélioration électromagnétique des points chauds AuNR.
Résultats et performances clés
L'étude a atteint une sensibilité et une fiabilité impressionnantes :
Limites de détection (DL):
Les limites de détection étaient de 1.0 μg/kg (0.001 mg/kg) pour le thirame et de 10.0 μg/kg (0.01 mg/kg) pour le paraquat, surpassant ainsi de nombreuses méthodes SERS antérieures utilisant des extraits de feuilles ou de poudres de thé. Ces limites ont été déterminées comme étant les concentrations minimales permettant de distinguer les pics caractéristiques (par exemple, 1369 cm⁻¹ pour le thirame et 1647 cm⁻¹ pour le paraquat). (Les figures 4a et 4c présentent les spectres SERS du paraquat et du thirame en fonction de la concentration ; les figures 4b et 4d présentent les courbes d’étalonnage logarithmiques.)
Analyse quantitative:
Les courbes d'étalonnage logarithmiques ont démontré une excellente linéarité (R² = 0.990 pour le paraquat et 0.982 pour le thirame) sur des plages de concentration de 0.01 à 0.2 mg/kg pour le paraquat et de 0.001 à 0.1 mg/kg pour le thirame, permettant ainsi une quantification précise. (Le tableau 1 compare ces résultats avec ceux de la littérature, en soulignant des limites de détection plus basses et des temps d'intégration plus courts que dans les travaux de Chen et al., 2020, et de He et al., 2021.)
Reproductibilité et précision:
Les écarts-types relatifs (RSD) des intensités maximales étaient inférieurs à 10 % pour plusieurs sondes, ce qui indique une grande reproductibilité. Les expériences de taux de récupération sur des échantillons enrichis (paraquat à 0.15 et 0.08 mg/kg ; thirame à 0.08 et 0.03 mg/kg) ont donné une exactitude de 86.7 à 110.0 %, avec des RSD inférieurs à 10 %, confirmant la précision de la méthode dans une véritable infusion de thé. Les taux de récupération spécifiques étaient de 91.3 à 108.7 % pour le paraquat à 0.15 mg/kg (RSD 7.1 %) et de 86.7 à 110.0 % pour le thirame à 0.03 mg/kg (RSD 9.8 %). (Les figures 5a à 5d présentent les spectres SERS des tests de récupération pour chaque concentration ajoutée ; le tableau 2 détaille les concentrations prédites, les taux de récupération et les RSD.)
Détection simultanée:
La méthode a permis de détecter avec succès des résidus mixtes de thirame et de paraquat à une concentration de 0.1 mg/kg chacun, avec des pics caractéristiques visibles malgré une adsorption concurrente, bien que leurs intensités soient réduites (par exemple, le pic à 1647 cm⁻¹ du paraquat est passé de 4355 à 3249 coups). Ceci démontre la présence de zones d'intérêt suffisantes pour l'analyse multi-résidus dans des liquides complexes. (La figure 6 compare les spectres SERS des résidus mixtes (noir) à ceux du paraquat (rouge) et du thirame (bleu) purs ; le tableau 3 résume les performances, notamment le coefficient de variation (CV) de 6.1 % pour le paraquat, les gammes de linéarité et les taux de récupération.)
Les comparaisons avec la littérature mettent en évidence sa supériorité : des limites de détection plus basses, des temps de détection plus courts et aucun prétraitement, ce qui le rend idéal pour les applications sur le terrain.
Conclusions et impact plus large
Les chercheurs concluent que cette méthode de sonde SERS à fibre optique offre une solution rapide, sans marquage et très sensible pour la détection de résidus de pesticides dans des aliments liquides complexes comme les soupes au thé. En éliminant l'extraction de l'échantillon, elle réduit le temps d'analyse et améliore la fiabilité, avec un potentiel d'application à d'autres boissons ou à la surveillance environnementale. Ces travaux soulignent l'universalité des sondes pour divers analytes et leur faisabilité pour la détection simultanée de plusieurs résidus, ouvrant la voie à des outils pratiques pour le contrôle de la sécurité alimentaire. Les perspectives futures incluent la combinaison de l'intelligence artificielle avec… Spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS) pour une identification multi-résidus améliorée dans les systèmes complexess.
Sous l'égide de Chao Zhang, cette publication fait progresser la technologie SERS et offre aux étudiants de master une expérience pratique en recherche innovante. En tant que PDG de KINGPO, Zhang assure la liaison entre le monde universitaire et l'industrie, appliquant ces avancées au développement de dispositifs de détection intelligents. Cette réalisation est conforme aux normes internationales de sécurité alimentaire, telles que celles de l'Organisation mondiale de la santé, et témoigne de la contribution majeure de l'Université de technologie de Dongguan à la prévention intelligente des catastrophes et à l'ingénierie urbaine.
Pour plus de détails, l'article complet est disponible via DOI : 10.1016/j.jfca.2024.106520. La supervision continue de Zhang promet de nouvelles innovations dans le domaine de la détection optoélectronique, renforçant la confiance dans les solutions de sécurité alimentaire fondées sur la science.
avec des sondes SERS à fibre optique
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