Прорыв в области безопасности пищевых продуктов: генеральный директор KINGPO Чао Чжан руководит работой аспирантов, опубликовавших статью в журнале SCI Q2 о быстром обнаружении пестицидов в чае.

Дунгуань, Китай – 25.10.2024 г. – В рамках значительного шага вперед в области технологий обеспечения безопасности пищевых продуктов, Чао Чжан (также известный как Брюс Чжан), генеральный директор компании, заявил о значительном прогрессе в этой сфере. КИНГПО Научный руководитель из Школы электронной инженерии и интеллектуализации Дунгуаньского технологического университета возглавил исследовательскую группу, которая опубликовала новаторскую статью в журнале. Журнал Пищевой Состав и Анализ (SCI Q2, импакт-фактор ~3.8). Исследование под названием «Быстрое и чувствительное обнаружение остатков пестицидов в реальном чайном супе с помощью оптоволоконных SERS-зондов» демонстрирует инновационный метод обнаружения остатков пестицидов непосредственно в чайном супе без сложной подготовки образцов. Эта работа подчеркивает экспертные знания Чжана в области оптоэлектроники и его стремление к наставничеству над следующим поколением ученых, сочетая академическую строгость с практическим применением в контроле качества пищевых продуктов.

Будучи опытным лидером в области электроники и интеллектуализации, Чао Чжан руководил многочисленными аспирантами, способствуя междисциплинарным исследованиям, направленным на решение реальных задач. В этом проекте Чжан сотрудничал с ведущим автором Чэнбином Цаем и соавторами, включая Фэй Чжоу, Ран Чу, Хай Е, Линлин Шуй и Е Лю, все они связаны с Дунгуаньским технологическим университетом и смежными учреждениями. Исследование, принятое к публикации 8 июля 2024 года и опубликованное онлайн вскоре после этого, подчеркивает роль университета в развитии технологий проектирования городских объектов жизнеобеспечения через свою ключевую лабораторию провинции Гуандун.

Основные инновации и методология

В статье рассматривается важнейшая проблема потребления чая: наличие остатков пестицидов в чайном настое, которые могут представлять опасность для здоровья, несмотря на питательные свойства чая, такие как полифенолы и кофеин. Традиционные методы обнаружения, такие как газовая хроматография-масс-спектрометрия (ГХ-МС) или высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ), требуют трудоемкой предварительной обработки образцов и профессиональной экспертизы, что ограничивает их использование для быстрого анализа на месте.

Команда Чжана представила новый подход к обнаружению in situ с использованием спектроскопии поверхностно-усиленного рамановского рассеяния (SERS), интегрированной с волоконно-оптическими зондами. Ключевые моменты включают:

Изготовление зондов:

Исследователи разработали высокоэффективные волоконные SERS-зонды, сформированные из кластеров золотых наностержней (AuNR) с использованием метода самосборки, индуцированной лазерным испарением (LIESAM). Этот автоматизированный процесс включает погружение и вытягивание многомодовых кремниевых волокон через коллоид AuNR под воздействием лазера, оптимизированного до 17 циклов для достижения максимального количества SERS-зондов. Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) подтвердила равномерное распределение кластеров AuNR, обеспечивающих многочисленные участки усиления рамановских сигналов. (На рисунке 2c показано типичное изображение СЭМ оптимизированной грани волокна с плотно упакованными кластерами AuNR.)

Процесс обнаружения на месте:

Зонды просто погружаются в загрязненные образцы чайного бульона, приготовленные путем заваривания листьев зеленого чая, обработанных пестицидами. Этапы экстракции или концентрирования не требуются, что позволяет проводить измерения методом «погружение-сушка-погружение» с помощью портативного рамановского спектрометра (возбуждение 785 нм, время интегрирования 500 мс). (Рисунок 1a иллюстрирует схему подготовки загрязненных образцов чайного бульона; рисунок 1b показывает экспериментальную установку для SERS-детектирования.)

Целевые пестициды:

Метод был протестирован на тираме (фунгициде) и параквате (гербициде), широко используемых в производстве чая. Спектры SERS выявили отчетливые пики, позволяющие избирательно идентифицировать компоненты в сложной матрице питательных веществ чайного супа, таких как кофеин и катехины. (На рисунке 3a сравниваются спектры SERS чистого чайного супа и чайного супа, загрязненного паракватом, с выделением пиков при 837, 1191, 1292, 1534 и 1647 см⁻¹ для параквата; на рисунке 3b показана воспроизводимость спектра с относительным стандартным отклонением 6.1% при 1647 см⁻¹.)

Этот метод использует встроенную систему сбора сигналов волоконно-оптических зондов, минимизируя помехи от компонентов чая и усиливая сигналы пестицидов за счет электромагнитного усиления от активных зон золотых наностержней.

Ключевые результаты и показатели эффективности

Исследование продемонстрировало впечатляющую чувствительность и надежность:

Пределы обнаружения (DL):

1.0 мкг/кг (0.001 мг/кг) для тирама и 10.0 мкг/кг (0.01 мг/кг) для параквата, что превосходит многие предыдущие методы SERS, основанные на экстрагированных чайных листьях или порошках. Эти пределы были определены как самые низкие концентрации, при которых характерные пики (например, 1369 см⁻¹ для тирама, 1647 см⁻¹ для параквата) оставались различимыми. (На рисунках 4a и 4c показаны спектры SERS параквата и тирама в зависимости от концентрации; на рисунках 4b и 4d представлены логарифмические калибровочные кривые.)

Количественный анализ:

Логарифмические калибровочные кривые показали высокую линейность (R² = 0.990 для параквата, 0.982 для тирама) в диапазоне концентраций 0.01–0.2 мг/кг для параквата и 0.001–0.1 мг/кг для тирама, что позволило проводить точное количественное определение. (В таблице 1 приведено сравнение с литературными данными, отмечены более низкие пределы обнаружения и более короткое время интегрирования по сравнению с работами, такими как Chen et al., 2020, и He et al., 2021.)

Воспроизводимость и точность:

Относительные стандартные отклонения (RSD) пиковых интенсивностей были ниже 10% для нескольких зондов, что указывает на высокую согласованность. Эксперименты по определению степени извлечения на образцах с добавлением аналитов (паракват в концентрациях 0.15 и 0.08 мг/кг; тирам в концентрациях 0.08 и 0.03 мг/кг) показали точность 86.7–110.0%, с RSD менее 10%, что подтверждает прецизионность метода в реальном чайном супе. Специфические значения степени извлечения составили 91.3–108.7% для параквата в концентрации 0.15 мг/кг (RSD 7.1%) и 86.7–110.0% для тирама в концентрации 0.03 мг/кг (RSD 9.8%). (На рисунке 5a–d показаны спектры SERS из тестов на извлечение для каждой добавленной концентрации; в таблице 2 подробно описаны прогнозируемые концентрации, степени извлечения и RSD.)

Одновременное обнаружение:

Метод успешно обнаружил смешанные остатки тирама и параквата в концентрации 0.1 мг/кг каждого, при этом характерные пики были видны, несмотря на конкурирующую адсорбцию, хотя их интенсивность снизилась (например, пик 1647 см⁻¹ для параквата упал с 4355 до 3249 отсчетов). Это демонстрирует наличие достаточного количества «горячих точек» для анализа нескольких остатков в сложных жидкостях. (Рисунок 6 сравнивает спектры SERS смешанных остатков (черный) со спектрами отдельных параквата (красный) и тирама (синий); Таблица 3 суммирует результаты, включая относительное стандартное отклонение 6.1% для параквата, линейные диапазоны и коэффициенты извлечения.)

Сравнение с данными литературы подчеркивает превосходство данного метода: более низкие предельные значения обнаружения, более короткое время обнаружения и отсутствие предварительной обработки, что делает его идеальным для применения в полевых условиях.

Выводы и более широкое влияние

Исследователи пришли к выводу, что этот метод с использованием волоконного SERS-зонда предлагает быстрое, не требующее маркировки и высокочувствительное решение для обнаружения остатков пестицидов в сложных жидких пищевых продуктах, таких как чайный суп. Исключение экстракции образца сокращает время анализа и повышает надежность, что потенциально может быть применено к другим напиткам или мониторингу окружающей среды. Работа подчеркивает универсальность зондов для различных аналитов и возможность одновременного обнаружения нескольких остатков, открывая путь к созданию практических инструментов для обеспечения безопасности пищевых продуктов. Перспективные направления включают в себя сочетание искусственного интеллекта с SERS для улучшенной идентификации нескольких остатков в сложных системахs.

Под руководством Чао Чжана эта публикация не только продвигает технологию SERS, но и предоставляет аспирантам практический опыт в инновационных исследованиях. Будучи генеральным директором KINGPO, Чжан налаживает связи между академической средой и промышленностью, применяя эти прорывные разработки для создания интеллектуальных устройств обнаружения. Это достижение соответствует мировым стандартам безопасности пищевых продуктов, таким как стандарты Всемирной организации здравоохранения, и демонстрирует авторитетный вклад Дунгуаньского технологического университета в интеллектуальное предотвращение стихийных бедствий и городское строительство.

Более подробная информация доступна в полном тексте статьи по DOI: 10.1016/j.jfca.2024.106520. Продолжающееся научное руководство Чжана обещает дальнейшие инновации в области оптоэлектронных датчиков, укрепляя доверие к научно обоснованным решениям в области безопасности пищевых продуктов.

Быстрое и высокочувствительное обнаружение остатков пестицидов непосредственно в чае с помощью оптоволоконных SERS-зондов.