Design of A Novel Phosphohydrolase Mimic Enzyme And Its Enhanced Phosphohydrolase Activity for Rapid and Colorimetric Detection of Organophosphorus Pesticides

In de wereldwijde inspanning om voedsel veilig te houden, vormt een hardnekkige uitdaging de onzichtbare sporen van chemische pesticiden die op groenten en fruit kunnen achterblijven. Onder deze middelen behoort een specifieke groep bekend als organofosforpesticiden tot de veelgebruikte stoffen om gewassen te beschermen tegen insecten, maar hun aanwezigheid in voedsel vormt ernstige gezondheidsrisico's voor mensen, waaronder potentiële schade aan het zenuwstelsel. Omdat deze chemicaliën zo gevaarlijk zijn, hebben internationale gezondheidsorganisaties strikte limieten vastgesteld voor hoeveel er in de voedselvoorraad mag achterblijven. Het controleren op deze minuscule hoeveelheden is echter moeilijk. De standaardmethoden die in laboratoria worden gebruikt, vereisen enorme, dure machines en hoogopgeleide experts, waardoor ze te traag en te kostbaar zijn voor snelle controles in het veld. Wetenschappers zoeken al lang naar een eenvoudigere manier om deze gifstoffen te detecteren, waarbij ze vaak inspiratie zoeken in de natuur. In het menselijk lichaam werken natuurlijke enzymen als biologische machines die deze schadelijke chemicaliën kunnen afbreken, maar het oogsten van deze natuurlijke enzymen is moeilijk, duur, en ze verliezen vaak hun kracht wanneer de omstandigheden veranderen. Dit heeft ertoe geleid dat onderzoekers de creatie van kunstmatige versies hebben verkend, genaamd nanozymen, die kleine, door de mens gemaakte structuren zijn, ontworpen om het werk van natuurlijke enzymen na te bootsen maar met grotere kracht en stabiliteit.

Een team van onderzoekers aan de Zhengzhou University of Light Industry heeft nu een nieuw type van deze kunstmatige enzymen ontworpen dat met verrassende snelheid en precisie werkt. Ze creëerden een materiaal dat bestaat uit twee verschillende delen die samenwerken: een kern van ceriumoxide, een type metaaloxide, omhuld door een schil van een poreuze, kooiachtige structuur genaamd een metal-organisch raamwerk. De onderzoekers noemden dit nieuwe materiaal CeO2@ZIF-90. Hun doel was om een machine te bouwen die niet alleen het pesticide kan afbreken, maar ook de aanwezigheid ervan kan signaleren op een manier die gemakkelijk te zien of te meten is. Wanneer dit nieuwe materiaal in contact komt met een specifiek pesticide genaamd methylparathion, werkt het als een paar moleculaire scharen die de chemische stof uit elkaar knippen. Deze snijactie transformeert het onzichtbare pesticide in een andere stof genaamd para-nitrofenol. Deze nieuwe stof is bijzonder omdat deze een heldergele kleur aanneemt, waardoor de onzichtbare dreiging met het blote oog zichtbaar wordt.

De onderzoekers testten hoe goed dit nieuwe materiaal werkte door het in een laboratoriumsetting met het pesticide te mengen. Ze ontdekten dat het materiaal zeer effectief was in het afbreken van de chemische stof, waarbij een sterke gele kleur werd geproduceerd die met een eenvoudige lichtsensor gemeten kon worden. Hoe meer pesticide aanwezig was in het monster, hoe intenser de gele kleur werd, waardoor het team precies kon berekenen hoeveel gif er aanwezig was. Ze ontdekten dat deze methode het pesticide in zeer kleine hoeveelheden kon detecteren, variërend van een minuscuul fractie van een millimol tot een iets grotere concentratie, met een detectielimiet die laag genoeg is om nuttig te zijn voor voedselveiligheid. Om te bewijzen dat het materiaal niet slechts een eenmanszaak was, testte het team het ook met een elektrische methode. Omdat de gele stof die bij de reactie vrijkomt elektrische stroom kan geleiden, bevestigden ze het materiaal aan een elektrode en maten ze het elektrische signaal. Deze tweede methode was zelfs gevoeliger en in staat om zelfs nog kleinere sporen van het pesticide op te sporen, wat bevestigde dat het materiaal op twee verschillende manieren tegelijk goed werkt.

Een van de belangrijkste tests voor elke nieuwe sensor is of deze in de war raakt door andere zaken. In een kom met vruchtensap of een monster van de bodem zijn veel verschillende chemicaliën die een detector kunnen misleiden. De onderzoekers testten hun nieuwe materiaal tegen een lange lijst van veelvoorkomende stoffen, waaronder suikers, zouten en andere soorten pesticiden. De resultaten toonden aan dat het materiaal opmerkelijk kieskeurig was. Het reageerde sterk alleen op het specifieke pesticide waarvoor het ontworpen was, methylparathion, en negeerde de andere chemicaliën grotendeels. Dit hoge niveau van selectiviteit betekent dat de sensor onwaarschijnlijk een vals alarm zal geven bij gebruik op echt voedsel. Bovendien bleek het materiaal robuust en betrouwbaar. Het kon herhaaldelijk worden gebruikt zonder het vermogen om te werken te verliezen, en het bleef effectief zelfs nadat het bijna een maand lang was opgeslagen, wat suggereert dat het stabiel genoeg is voor praktisch gebruik buiten een gecontroleerd lab.

Om te zien of deze ontdekking in de echte wereld zou kunnen werken, testte het team hun methode op echte voedselmonsters. Ze namen selderij, appels en druiven en voegden kleine, bekende hoeveelheden van het pesticide toe aan deze producten. Met hun nieuwe materiaal waren ze in staat om het toegevoegde gif met hoge nauwkeurigheid te detecteren, waarbij ze bijna alle pesticide die ze hadden toegevoegd, terugvonden. Dit succes in echte voedselmonsters suggereert dat de methode klaar is om de stap te maken van het laboratorium naar het veld. De onderzoekers concluderen dat dit nieuwe materiaal een krachtig instrument is voor voedselveiligheid. Door het vermogen om het gif af te breken te combineren met het vermogen om het te detecteren via kleur of elektriciteit, biedt het CeO2@ZIF-90-materiaal een snelle, goedkope en betrouwbare manier om voedsel te monitoren op gevaarlijke residuen, wat potentieel kan helpen om consumenten te beschermen en ervoor te zorgen dat het voedsel op onze tafels veilig is om te eten.