Bimodal optical nanosensor based on upconversion fluorescence resonance energy transfer and gold nanoparticle interactions for high sensitivity and colorimetric evaluation of ractopamine in pork

في عالم سلامة الغذاء، يمثل التهديد الخفي للمخلفات الكيميائية مصدر قلق مستمر للمستهلكين والجهات الرقابية على حد سواء. ومن بين هذه المواد الكيميائية، لفتت مادة اصطناعية تُعرف باسم "الرتاكتوبامين" (ractopamine) انتباهاً خاصاً. فقد طُوّرت هذه المادة في الأصل لعلاج الربو لدى البشر، لكن بعض مزارعي الماشية استخدموها بشكل غير قانوني لجعل الحيوانات تنمو بإنتاج لحم أكثر رشاقة وسرعة. وبينما تعزز هذه الممارسة الإنتاج، يمكن لهذه المادة الكيميائية أن تظل عالقة في اللحم الذي نأكله، مما قد يسبب خفقان القلب، والرعشات، وغيرها من المشكلات الصحية الخطيرة لدى الأشخاص الذين يستهلكونها. ويعد اكتشاف هذه الآثار أمراً صعباً لأن المادة الكيميائية مستقرة وتصمد أمام الطهي، كما أن طرق الاختبار التقليدية غالباً ما تتطلب أجهزة باهظة الثمن وإجراءات مخبرية معقدة تكون بطيئة جداً لإجراء فحوصات سريعة في الأسواق أو المزارع. ولحل هذه المشكلة، توجه العلماء إلى تقنية النانو، وتحديداً باستخدام جزيئات متناهية الصغر يمكنها أن تضيء أو يتغير لونها عند مواجهة هدف محدد. وتتضمن إحدى هذه التقنيات "الجسيمات النانوية ذات التحويل العلوي" (upconversion nanoparticles)، وهي بلورات خاصة تمتص الضوء غير المرئي وتتوهج بألوان مرئية، و"جسيمات الذهب النانوية"، وهي كرات معدنية متناهية الصثغر يتغير لونها عندما تتكتل معاً. ومن خلال الجمع بين هذين النوعين من الجسيمات، يمكن للباحثين ابتكار مستشعر يعمل كعين كيميائية عالية الحساسية، قادرة على رصد المخلفات الخطرة بإشارة بصرية وقياس دقيق في آن واحد.

قام فريق من الباحثين من الصين بتطوير مستشعر جديد ثنائي الوضع يستخدم هذه المبادئ للكشف عن الرتاكتوبامين في لحم الخنزير بسرعة ودقة ملحوظتين. تبدأ العملية بإنشاء المكونين الرئيسيين للمستشعر؛ أولاً، قام العلماء بتصنيع الجسيمات النانوية ذات التحويل العلوي باستخدام طريقة تتضمن تسخين خليط من المعادن الأرضية النادرة في حاوية محكمة الإغلاق، وقد غُلفت هذه الجسيمات ببوليمر لضمان قدرتها على الطفو بحرية في الماء وحمل شحنة كهربائية موجبة. بعد ذلك، قاموا بإنشاء جسيمات الذهب النانوية باستخدام نهج أخضر وصديق للبيئة؛ فبدلاً من استخدام مواد كيميائية قاسية، استخلصوا مركبات طبيعية من قشور كستناء الزيت لتحويل محلول ذهبي إلى كرات صغيرة حمراء اللون. ثم عُدلت هذه الكرات الذهبية باستخدام حمض أميني محدد يسمى "L-cysteine"، والذي يعمل بمثابة خطاف جزيئي، جاهز للإمساك بجزيئات الرتاكتوبامين.

يعمل المستشعر من خلال جمع هذين النوعين من الجسيمات معاً. ولأن جسيمات التحويل العلوي مشحونة إيجابياً وجسيمات الذهب مشحونة سلبياً، فإنها تلتصق ببعضها البعض بشكل طبيعي، مكونة شراكة وثيقة. وعندما تتشكل هذه الشراكة، تعمل جسيمات الذهب مثل الإسفنجة، حيث تمتص طاقة الضوء من جسيمات التحويل العلوي وتمنعها من التوهج، وتعتبر هذه الحالة هي مفتاح الإيقاف "off" الخاص بالمستشعر. ومع ذلك، عندما يكون الرتاكتوبامين موجوداً، فإنه يندفع نحو جسيمات الذهب ويرتبط بقوة بخطافات الـ L-cysteine. وهذا الارتباط قوي جداً لدرجة أنه يسحب جسيمات الذهب بعيداً عن شركاء التحويل العلوي ويتسبب في تكتل جسيمات الذهب مع بعضها البعض. هذا الانفصال يكسر الشراكة، مما يسمح لجسيمات التحويل العلوي بالتوهج مرة أخرى، بينما يؤدي تكتل جسيمات الذهب إلى تغيير لون السائل من الأحمر إلى الأزرق.

اختبر الباحثون هذا النظام ووجدوه فعالاً للغاية. ففي "الوضع القائم على اللون"، حيث يمكن للشخص ببساطة النظر إلى السائل، يمكن للمستشعر اكتشاف تركيزات الرتاكتوبامين التي تصل إلى 0.5 ميكرومول لكل لتر، مع تحول اللون بشكل مرئي من الأحمر إلى الأزرق مع زيادة كمية المادة الكيميائية. ولتحقيق حساسية أكبر، استخدم الفريق "وضع الفلورة" الذي يقيس توهج جسيمات التحويل العلوي، وقد أثبتت هذه الطريقة أنها أكثر دقة بكثير، حيث يمكنها اكتشاف الرتاكتوبامين بمستويات منخفضة تصل إلى 0.05 ميكرومول لكل لتر. كما يتميز المستشعر بانتقائية عالية، مما يعني أنه يتجاهل المواد الشائعة الأخرى الموجودة في الطعام، مثل الأحماض الأمينية المختلفة، والسكريات، وحتى الأدوية الأخرى المشابهة، مركزاً فقط على الرتاكتوبام_ين. ولإثبات قيمته في العالم الحقيقي، اختبر الفريق المستشعر على عينات فعلية من لحم الخنزك تم حقنها بكميات معروفة من المادة الكيميائية، ونجح المستشعر في تحديد الرتاكتوبامين وحساب الكميات بدقة عالية، مطابقةً النتائج التي توصلت إليها الاختبارات المختبرية القياسية التي يستخدمها الخبراء.

يعتمد العلم وراء هذا النجاح على الطريقة المحددة التي يتفاعل بها جزيء الرتاكتوبامين مع المستشعر. فمن خلال المحاكاة الحاسوبية التفصيلية والتحليل الكيميائي، أكد الباحثون أن جزيء الرتاكتوبامين يعمل كجسر؛ إذ يمتلك طرفين متميزين يمكنهما الإمساك بجسيمين ذهبيين مختلفين في وقت واحد، مما يؤدي فعلياً إلى ربطهما عرضياً والتسبب في التكتل الذي يحفز تغير اللون. وهذا الإجراء الربطي النوعي فريد من نوعه بالنسبة للرتاكتوبامين بسبب شكله وبنيته الكيميائية الخاصة، وهو ما يفسر سبب عدم تفاعل المستشعر مع الأدوية الأخرى المشابهة. كما استبعدت الدراسة أسباباً أخرى محتملة لتغير الإشارات، مثل التداخل الكيميائي البسيط أو التكتل العشوائي، مؤكدة أن الكشف مدفوع بهذا "المصافحة الجزيئية" المحددة. ومن خلال الجمع بين الفحص البصري البسيط والقياس الضوئي عالي الحساسية، يقدم هذا المستشعر الجديد أداة قوية لضمان خلو اللحم الذي نضعه في أطباقنا من المخلفات الضارة، مما يوفر طريقة سريعة وموثوقة وسهلة لمراقبة سلامة الغذاء.