A recognition-enhanced colorimetric sensor based on molecularly imprinted CoFe LDH nanozymes for detection of enrofloxacin in real water samples

تُعد المياه شريان الحياة لكوكبنا، لكنها أيضاً مكان يمكن أن تتراكم فيه المواد الكيميائية التي نستخدمها يومياً. ومن بين هذه المواد مادة "الإنروفلوكساسين" (enrofloxacin)، وهو مضاد حيوي قوي يُستخدم لعلاج العدوى في الماشية وتربية الأحياء المائية. وبينما يساعد هذا العقار الحيوانات على البقاء بصحة جيدة، فإنه غالباً ما ينتهي به المطاف في الأنهار والبحيرات عبر الفضلات والمياه العادمة. ولأن هذه المادة تتحلل ببطء شديد، فإنها يمكن أن تتراكم في البيئة، مما قد يضر بالأنظمة البيئية ويدخل في السلسلة الغذائية. إن اكتشاف هذه الآثار أمر بالغ الأهمية لحماية جودة المياه، إلا أن الطرق الحالية غالباً ما تكون بطيئة ومكلفة وتتطلب معدات مختبرية معقدة. وقد سعى العلماء لفترة طويلة لإيجاد طريقة أبسط لرصد هذه الملوثات بسرعة، ويفضل أن تكون باستخدام طريقة تغير لونها لتظهر ما هو موجود، تماماً مثل اختبار ورق عباد الشمس، ولكن مع القدرة على تمييز مادة كيميائية محددة من بين آلاف المواد الأخرى.

ولحل هذه المعضلة، لجأ الباحثون إلى مزيج ذكي من فكرتين علميتتين: "الإنزيمات النانوية" (nanozymes) و"البصمة الجزيئية" (molecular imprinting). الإنزيم النانوي هو جسيم صغير مصنوع بشرياً يعمل مثل الإنزيم الطبيعي، حيث يسرع التفاعلات الكيميائية. وفي هذه الحالة، استخدم العلماء مادة مكونة من الكوبالت والحديد تتصرف مثل محفز طبيعي، حيث تحول سائلًا شفافًا إلى اللون الأزرق عند خلطها مع بيروكسيد الهيدروجين. ومع ذلك، فإن هذه الإنزيمات النانوية عادة ما تكون متحمسة جداً للتفاعل؛ فهي لا تستطيع التمييز بين الملوث المستهدف والمواد الكيميائية الأخرى التي تشبهه. وهنا يأتي دور البصمة الجزيئية. تخيل أخذ قالب لشيء معين، ثم إزالة ذلك الشيء، وترك تجويف يناسب شكله تماماً. ومن خلال إنشاء هذه الثقوب المجهرية ذات الشكل المحدد في طبقة بوليمر واقية، يمكن للعلماء بناء مستشعر يلتقط فقط الجزيء المستهدف ويتجاهل كل شيء آخر.

وفي دراسة حديثة، قام فريق من الباحثين من جامعة هينان البوليتكنيك وجامعة جيانغسو للتكنولوجيا إلى العلوم بدمج هذه المفاهيم لابتكار مستشعر جديد للإنروفلوكساسين. بدأوا بتنمية جسيمات كروية صغيرة من هيدروكسيد مزدوج الطبقات من الكوبالت والحديد، وهي مادة معروفة بقدرتها على تحفيز التفاعلات. ثم قاموا بتغطية هذه الجسيمات بطبقة رقيقة من "الشيتوزان" (chitosan)، وهو بوليمر طبيعي مشتق من القشريات، وربطوه بـ "الجلوتارالدهيد". والأهم من ذلك، أنهم أضافوا الإنروفلوكساسين إلى الخليط أثناء عملية التغطية هذه. ومع تشكل البوليمر حول الجسيمات، عملت جزيئات الإنروفلوكساسين كنموذج، مما خلق جيوباً أو تجاويف محددة في الطبقة تطابق حجم وشكل الدواء. وبمجرد أن أصبحت الطبقة صلبة، قام الباحثون بغسل الإنروفلوكساسين، تاركين خلفهم ثقوباً فارغة ومثالية الشكل على سطح الإنزيم النانوي.

تعتمد آلية الكشف على "الانسداد الفيزيائي". ففي غياب الإنروفلوكساسين، تعمل التجاويف الفارغة في المستشعر كأبواب مفتوحة، مما يسمح لبيروكسيد الهيدروجين بالتدفق عبر الطبقة الواقية للوصول إلى قلب الكوبالت والحديد النشط. وهناك، يحفز القلب تفاعلاً يحول مادة كيميائية شفافة تسمى "TMB" إلى لون أزرق زاهٍ. ومع ذلك، عندما يكون الإنروفلوكساسين موجوداً في الماء، فإنه ينزلق عائداً إلى تلك التجاويف المحددة، مستقراً فيها بإحكام مثل المفتاح في القفل. هذا الإجراء يغلق الباب فيزيائياً، مما يمنع بيروكسيد الهيدروجين من الوصول إلى القلب. ونتيجة لذلك، لا يتطور اللون الأزرق، أو يتطور بشكل باهت جداً. وكلما زادت كمية الإنروفلوكساسين في الماء، زاد امتلاء التجاويف، وقل ظهور اللون الأزرق. ويوفر هذا التغير في شدة اللون مقياساً بصرياً مباشراً لكمية الدواء الموجودة في العينة.

اختبر الباحثون هذا المستشعر بدقة صارمة. ووجدوا أنه يمكنه اكتشاف الإنروفلوكساسين بتركيزات منخفضة تصل إلى 0.03 ميكرومول، مع استجابة خطية تتراوح بين 0.19 و50 ميكرومول. وهذا يعني أن المستشعر حساس بما يكفي لرصد كميات صغيرة جداً من الدواء مع الاستمرار في العمل بدقة عندما يكون التركيز أعلى. وللتأكد من أن المستشعر لا يتفاعل مع أي مادة كيميائية أخرى، اختبروه مقابل مضادات حيوية أخرى وجزيئات مشابهة. ظل المستشعر غير مستجيب لهذه المواد الشبيهة، مما أثبت أن البصمة الجزيئية قد علمت المادة بنجاح التعرف على الإنروفلوكساسين فقط. كما أكدت الدراسة أن المستشعر يعمل عن طريق حظر مسار التفاعل فيزيائياً، وليس عن طريق تدمير المحفز كيميائياً أو تغيير طبيعته.

أخيراً، نقل الفريق المستشعر من المختبر إلى العالم الحقيقي. فقد جمعوا عينات مياه من أنظمة نهري يانغتسي وأصفر، وكذلك من مزارع الماشية والمستشفيات. وفي كل حالة، قاس المستشعر كمية الإنروفلوكساسين بدقة، بنسب استرداد تتراوح بين 98.6% و104%. ويشير هذا المستوى العالي من الدقة في عينات المياه المعقدة والملوثة إلى أن الطريقة قوية بما يكفي للاستخدام الميداني. كما أن المستشعر قابل لإعادة الاستخدام؛ إذ يمكن غسل الإنروفلوكساسين من التجاويف، مما يسمح باستخدام المادة مرة أخرى دون فقدان قدرتها على اكتشاف الدواء. يقدم هذا العمل أداة واعدة ومنخفضة التكلفة لمراقبة جودة المياه، مما يوفر وسيلة لمراقبة التلوث بالمضادات الحيوية عن كثب دون الحاجة إلى آلات باهظة الثمن أو تدريب متخصص للغاية.