Electrochemical Detection of Propyl Gallate in Packaged Foods Using a SnS2 - Co1 Fe2 @N-CNTs Composite

في عالم إنتاج الغذاء الحديث، يمثل الحفاظ على نضارة المنتجات لأطول فترة ممكنة تحدياً مستمراً. ولإيقاف فساد الطعام أو تزنخه، غالباً ما يضيف المصنعون مواد حافظة كيميائية تُعرف باسم مضادات الأكسدة. ومن أكثر هذه المواد شيوعاً مادة تُسمى "بروبيل غالات". وهي تعمل على تحييد الجزيئات الضارة التي تسبب التحلل، مما يطيل فعلياً العمر الافتحي لكل شيء، من اللحوم المملحة إلى البسكويت المعلب. وبينما تعد هذه المادة الكيميائية مفيدة، فإن استهلاك الكثير منها يمكن أن يكون ضاراً بجسم الإنسان، حيث قد يسبب تهيجاً في المعدة أو ضرراً للكبد والكلى. وبسبب هذه المخاطر، وضعت الحكومات حول العالم حدوداً صارمة على كمية وجودها في طعامنا. ولضمان احترام هذه الحدود، يحتاج العلماء إلى طرق موثوقة لقياس كمية "البروبيل غالات" الموجودة في العبوة بدقة. وغالباً ما تكون الطرق التقليدية للقيام بذلك بطيئة، وتتطلب أجهزة باهظة الثمن، وتحتاج إلى متخصصين مدربين تدريباً عالياً. وهذا يخلق حاجة لطريقة أسرع وأرخص وأبسط للتحقق من سلامة الغذاء في مكان وجود الغذاء نفسه.

قام فريق من الباحثين من معهد هونان للعلوم والتكنولوجيا وجامعة يويانغ في الصين بتطوير أداة جديدة لحل هذه المشكلة. فقد ابتكروا مستشعراً متخصصاً قادراً على اكتشاف "البروبيل غالات" بدقة عالية، دون الاعتماد على المعادن الثمينة أو النادرة التي تُستخدم عادة في مثل هذه الأجهزة. فبدلاً من استخدام مواد ثمينة مثل الذهب أو البلاتين، بنى الفريق مستشعرهم باستخدام مزيج ذكي من ثلاثة مكونات شائعة وغير سامة. قلب جهازهم عبارة عن قطب كهربائي صغير مغطى بمزيج فريد من المواد: كبريتيد القصدير، الذي يشكل هياكل تشبه الزهور، ونوع من أنابيب الكربون النانوية التي تم تطعيمها بالنيتروجين لجعلها عالية التوصيل، ومركب طبقي مصنوع من الحديد والكوبالت. ومن خلال هندسة كيفية تداخل هذه المواد الثلاث معاً بعناية، أنشأ الباحثون سطحاً يعمل كفخ عالي الكفاءة لجزيئات "البروبيل غلات".

تضمنت عملية صنع هذا المستشعر سلسلة من الخطوات الدقيقة لضمان عمل المواد معاً بشكل مثالي. أولاً، قام الباحثون بإنشاء أنابيب الكربون النانوية المطعمة بالنيتوجين عن طريق تسخين خليط من الميلامين ونترات الكوبالت إلى درجات حرارة عالية جداً. ثم أضافوا مركب الحديد والكوبالت إلى هذه الأنابيب، يليه كبريتيد القصدير، الذي نما على شكل زهرة نانوية. كان الهدف هو إنشاء هيكل يمكن للمواد المختلفة من خلاله مشاركة الإلكترونات بسهء، مما يجعل المستشعر حساساً للغاية. وعندما اختبر الباحثون هذا المركب الجديد، وجدوا أنه يوصل الكهرباء بشكل أفضل بكثير من أي جزء من الأجزاء الفردية المستخدمة بمفردها. هذا التدفق المحسن للكهرباء يعني أن المستشعر يمكنه التفاعل مع وجود "البروبيل غالات" بشكل أسرع وأقوى من التصميمات السابقة.

عندما اختبروا قدرة المستشر على إيجاد "البروبيل غالات"، كانت النتائج مبهرة. يمكن للجهاز اكتشاف المادة الكيميائية بمستويات منخفضة للغاية، حيث وجد ما يصل إلى 0.049 ميكرومول لكل لتر. وهذه الحساسية أمر بالغ الأهمية لأنها تسمح للمستشعر برصد حتى الكميات الضئيلة من المادة الحافظة، وهي كميات أقل بكثير من حدود السلامة التي وضعتها الهيئات التنظيمية. علاوة على ذلك، عمل المستشعر بدقة عبر نطاق واسع جداً من التركيزات، من الآثار الضئيلة وصولاً إلى المستويات العالية البالغة 1,000 ميكرومول لكل لتر. ويعني هذا النطاق الواسع أنه يمكن استخدام نفس المستشعر لفحص الأطعمة التي تحتوي على القليل من المادة الحافظة والأطعمة التي تحتوي على الكثير منها، دون الحاجة إلى تعديله أو استبداله. كما اختبر الباحثون مدى قدرة المستشعر على التمييز بين "البروبيل غالات" والمواد الشائعة الأخرى الموجودة في الطعام، مثل السكريات والفيتامينات والمواد الحافظة الأخرى. وقد أظهر المستشعر انتقائية ممتازة، حيث تجاهل هذه المواد الأخرى وتفاعل فقط مع "البروبيل غالات"، وهو أمر ضروري للحصول على قراءة دقيقة في عينات الطعام المعقدة.

ولإثبات نجاح المستشعر في العالم الحقيقي، اختبره الفريق على أطعمة معبأة فعلية، بما في ذلك البسكويت واللحوم المملحة. فقد استخلصوا محتويات هذه الأطعمة ومرروها عبر المستشعر. وأدى الجهاز أداءً ملحوظاً في الدقة، حيث استعاد ما بين 97.68% و99.69% من كمية "البروبيل غالات" التي كانت موجودة بالفعل. وللتأكد تماماً من نتائجهم، قارن الباحثون نتائج مستشعرهم مع طريقة مخبرية قياسية تُسمى "الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء"، والتي تُعتبر المعيار الذهبي للتحليل الكيميائي. جاءت نتائج مستشعرهم الجديد مطابقة للطريقة القياسية بشكل شبه مثالي، مع وجود فروق ضئيلة جداً متوقعة عند مقارنة التقنيات المختلفة. وقد أكد ذلك أن جهازهم الجديد منخفض التكلفة لا يقل موثوقية عن الأجهزة المعقدة والباهظة المستخدمة حالياً في المختبرات.

يكمن نجاح هذا المشروع في الطريقة المحددة التي تم بها دمج المواد. فقد وجد الباحثون أن مجرد خلط المكونات معاً لم يكن كافياً؛ بل كانت المواد بحاجة إلى هندسة بحيث تتلامس أسطحها بطريقة محددة للغاية. هذا التلامس الوثيق خلق تأثيراً تآزرياً، حيث أصبح الكل أكبر من مجموع أجزائه. فقد وفرت أنابيب الكربون النانوية طريقاً سريعاً للكهرباء، بينما وفر مركب الحديد والكوبالت وزهور كبريتيد القصدير الكثير من المواقع لالتصاق جزيئات "البروبيل غالات" والتفاعل معها. سمح هذا التصميم للمستشعر بأن يظل مستقراً ودقيقاً بمرور الوقت، محافظاً على معظم أدائه حتى بعد شهر من التخزين. ومن خلال إثبات أن مستشعراً مصنوعاً من مواد شائعة وغير ثمينة يمكنه التفوق على العديد من الأنظمة الموجودة، يقدم هذا العمل مساراً واعداً نحو مراقبة أكثر أماناً وسهولة للغذاء. ويشير ذلك إلى أنه في المستقبل، يمكن إجراء فحوصات سلامة الغذاء بسرعة وتكلفة منخفضة، وربما باستخدام أجهزة محمولة، مما يضمن أن الطعام الموجود على رفوفنا آمن للجميع لتناوله.