Target-Induced Stimuli-Responsive Liquid Crystal for Colorimetric Detection of Aflatoxin B1 via MnO 2 Nanosheet- Mediated Catalysis

تعد سلامة الغذاء معركة مستمرة ضد التهديدات غير المرئية، ومن أخطرها سموم الأفلاتوكسين. هذه السموم هي مواد سامة تنتجها أنواع معينة من العفن الذي ينمو على المحاصيل مثل الحبوب والمكسرات. أحد الأنواع المحددة، والمعروف باسم "أفلاتوكسين B1"، خطير بشكل خاص لأنه يمكن أن يسبب تلفاً شديداً في الكبد وهو مسبب معروف للسرطان. ولأن هذه السموم مستقرة حرارياً، فهي تنجو من الطهي والمعالجة، مما يجعلها خطراً مستمراً في إمدادات الغذاء العالمية. إن اكتشافها بسرعة ودقة أمر ضروري، لكن الطرق التقليدية غالباً ما تتطلب معدات مختبرية باهظة الثمن وعلماء مدربين تدريباً عالياً، مما يجعلها غير عملية لفحص الأغذية في الميدان أو في الأسواق الصغيرة. وهناك حاجة متزايدة لطريقة بسيطة وسريعة وغير مكلفة لرصد هذه السموم قبل وصولها إلى المستهلكين.

لقد استكشف الباحثون طرقاً جديدة لبناء مستشعرات لا تتطلب ملصقات كيميائية معقدة أو خطوات تحضير مفصلة. ويتضمن أحد النهج الواعدة استخدام قطرات صغيرة من الكريستال السائل، وهي حالة من حالات المادة تقع بين السائل والصلب وتكون حساسة للتغيرات عند سطحها. ومن خلال دمج هذه القطرات مع مادة تحاكي سلوك الإنزيمات الطبيعية، يمكن للعلماء إنشاء نظام يتغير لونه في وجود هدف محدد. تقدم هذه الدراسة الجديدة طريقة للكشف عن "أفلاتوكسين B1" باستخدام مثل هذا النظام، بالاعتماد على تفاعل متسلسل يبدأ بالسم نفسه وينتهي بتغير لوني مرئي يمكن رؤيته بالعين المجردة.

قام الفريق، بقيادة باحثين من جامعة هونان للطب الصيني وجامعة هونان الزراعية، بتصميم مستشعر يعمل مثل المفتاح الجزيئي. وفي قلب هذا النظام توجد قطرات مجهرية من الكريستال السائل، والتي تعمل كحاويات صغيرة. داخل هذه الحاويات، وضع الباحثون مادة تسمى "الجلوتاثيون"، وهي جزيء يمكنه تفكيك المواد الكيميائية الأخرى. يتم تثبيت هذه القطرات بواسطة طبقة من "المادة الخافضة للتوتر السطحي"، وهي نوع من الجزيئات الشبيهة بالصابون التي تمنع الكريستال السائل من الاختلاط بالماء المحيط به. ولجعل المستشعر يعمل، أدخل الباحثون أيضاً شريطاً معيناً من الحمض النووي (DNA)، يُعرف باسم "الأبتامر"، وهو مبرمج للإمساك بـ "أفلاتوكسين B1" بدقة عالية. كما أضافوا جزيئاً ثانياً، وهو مادة خافضة للتوتر السطحي ذات شحنة موجبة، والتي تعمل كمحفز للنظام.

في غياب السم، يتمسك شريط الحمض النووي بالمادة الخافضة للتوتر السطحي ذات الشحنة الموجبة بقوة شديدة بحيث لا يمكن للمادة الوصول إلى قطرات الكريستال السائل. ولأن المحفز محبوس بعيداً، تظل قطرات الكريال السائل سليمة، مما يحافظ على الجلوتاثيون مغلفاً بأمان بالداخل. بعد ذلك، أضاف الباحثون مادة يتغير لونها عند تأكسدها، بالإضافة إلى مادة تسمى "صفائح ثاني أكسيد المنجنيز النانوية". تعمل هذه الصفائح كعامل حفاز، حيث تسرع التفاعل الذي يحول المادة الكيميائية عديمة اللون إلى مادة صفراء زاهية. وبما أن الجلوتاثيون محبوس داخل القطرات ولا يمكنه التدخل، فإن الصفائح النانوية تعمل بحرية، ويتحول المحلول إلى اللون الأصفر الداكن.

ومع ذلك، تتغير القصة عند وجود "أفلاتوكسين B1". فالسم لديه جاذبية أقوى لشريط الحمض النووي من المادة الخافضة للتوتر السطحي. فعند إدخال السم، يرتبط بالحمض النووي، مما يجبر الحمض النووي على ترك المادة الخافضة للتوتر السطحي. وبمجرد تحررها، تندفع المادة نحو سطح قطرات الكريستال السائل. هذا الوصول المفاجئ للمادة يخل بالتوازن الدقيق عند سطح القطرة، مما يؤدي إلى قذف محتوياتها. عندها، يقوم الجلوتاثيون، الذي أصبح الآن حراً في الماء، بمهاجمة صفائح ثاني أكسيد المنجنيز النانوية وتفكيكها. وبدون هذه الصفائح، لا يمكن للتفاعل الكيميائي الذي ينتج اللون الأصفر أن يحدث. والنتيجة هي محلول يبقى شفافاً أو عديم اللون. يوفر الفرق بين المحلول الأصفر الزاهي والمحلول الشفاف إشارة بصرية بسيطة: اللون الأصفر يعني أن الطعام آمن، بينما يعني اللون الشفاف وجود السم الخطير.

اختبر الباحثون هذا النظام تحت ظروف مختلفة لضمان عمله بشكل موثوق. ووجدوا أن التفاعل يحدث بسرعة، حيث يصل إلى حالة مستقرة في غضون عشر دقائق عند درجة حرارة 35 درجة مئوية. وحددوا أن المستشعر يمكنه اكتشاف "أفلاتوكسين B1" بتركيزات منخفضة تصل إلى 0.73 نانوغرام لكل ميليلتر، وهي كمية ضئيلة للغاية. وأظهر النظام استجابة خطية، مما يعني أن اللون يصبح فاتحاً تدريجياً مع زيادة كمية السم، مما يسمح بالقياس الدقيق ضمن نطاق محدد. والأهم من ذلك، كان المستشعر متخصصاً للغاية؛ فعندما اختبره الباحثون مقابل سموم أخرى شائعة توجد في الأغذية، مثل تلك التي تسبب العفن في الذرة أو القمح، لم يتفاعل المستشعر معها. لقد تغير لونه فقط عندما كان الهدف المحدد، "أفلاتوكسين B1"، موجوداً، حتى عندما كانت السموم الأخرى مختلطة به بتركيزات أعلى بكثير.

ولإثبات نجاح الطريقة في العالم الحقيقي، اختبر الفريق النظام على عينات غذائية حقيقية، بما في ذلك بذور عباد الشمس، وحليب الصويا المجفف، والحليب. أضافوا كميات معروفة من السم إلى هذه العينات وقاسوا مدى قدرة المستشعر على إيجاده. وأظهرت النتائج أن المستشعر يمكنه استعادة ما بين 92% و108% من السم المضاف، مما يشير إلى دقة عالية. كما قارنوا نتائجهم بتقنية مخبرية قياسية تسمى "الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء"، والتي تعتبر المعيار الذهبي لهذا النوع من التحليل. وقد طابقت نتائج المستشعر قياسات المختبر بشكل مثالي تقريباً، مما أكد أن هذه الطريقة البصرية البسية لا تقل موثوقية عن المعدات المعقدة المستخدمة في المختبرات المهنية.

يبرهن هذا العمل على أنه من الممكن إنشاء أداة كشف قوية دون الحاجة إلى تسميات معقدة أو آلات باهظة الثمن. فمن خلال استخدام الخصائص الطبيعية للكريستال السائل والقدرة النوعية للارتباط للحمض النووي، تمكن الباحثون من بناء نظام يترجم حدثاً جزيئياً مجهرياً إلى إشارة واضحة ومرئية. إن هذه الطريقة سريعة، ومنخفضة التكلفة، وسهلة الاستخدام، مما يوفر حلاً عملياً لمراقبة سلامة الغذاء في الأماكن التي لا تتوفر فيها مختبرات متقدمة. إنها تمثل خطوة مهمة نحو جعل اكتشاف الملوثات الغذائية الخطيرة متاحاً للجميع، لضمان أن يكون الطعام على موائدنا آمناً للأكل.