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

In de wereld van voedselveiligheid is de onzichtbare dreiging van chemische residuen een constante zorg voor zowel consumenten als toezichthouders. Onder deze chemicaliën heeft een synthetische stof genaamd ractopamine bijzondere aandacht getrokken. Oorspronkelijk ontwikkeld voor de behandeling van astma bij mensen, is het door sommige veehouders illegaal gebruikt om dieren sneller mager vlees te laten groeien. Hoewel deze praktijk de productie een boost geeft, kan de chemische stof achterblijven in het vlees dat we eten, wat potentieel hartkloppingen, trillingen en andere ernstige gezondheidsproblemen kan veroorzaken bij mensen die het consumeren. Het detecteren van deze sporen is moeilijk omdat de stof stabiel is en de bereiding overleeft, en traditionele testmethoden vereisen vaak dure machines en complexe laboratoriumprocedures die te traag zijn voor snelle controles op de markt of de boerderij. Om dit op te lossen, hebben wetenschappers zich tot de nanotechnologie gewend, specifiek door gebruik te maken van piepkleine deeltjes die kunnen oplichten of van kleur kunnen veranderen wanneer ze een specifiek doelwit tegenkomen. Eén dergelijke technologie omvat upconversion-nanodeeltjes, die speciale kristallen zijn die onzichtbaar licht absorberen en oplichten met zichtbare kleuren, en goud-nanodeeltjes, die minuscule metalen sferen zijn die van kleur veranderen wanneer ze samenklonteren. Door deze twee soorten deeltjes te combineren, kunnen onderzoekers een sensor creëren die werkt als een zeer gevoelig chemisch oog, in staat om gevaarlijke residuen op te sporen met zowel een visueel signaal als een nauwkeurige meting.

Een team van onderzoekers uit China heeft een nieuwe dual-mode sensor ontwikkeld die deze principes gebruikt om ractopamine in varkensvlees te detecteren met opmerkelijke snelheid en nauwkeurigheid. Het proces begint met de creatie van de twee belangrijkste componenten van de sensor. Eerst synthetiseerden de wetenschappers upconversion-nanodeeltjes met behulp van een methode die bestaat uit het verhitten van een mengsel van zeldzame aardmetalen in een verzegelde container. Deze deeltjes werden voorzien van een polymeercoating om ervoor te zorgen dat ze vrij kunnen zweven in water en een positieve elektrische lading dragen. Vervolgens maakten zij goud-nanodeeltjes met behulp van een groene, milieuvriendelijke aanpak. In plaats van harde chemicaliën te gebruiken, extraheerden zij natuurlijke verbindingen uit de schillen van oliekastanjes om een gouden oplossing te veranderen in piepkleine, roodgekleurde sferen. Deze gouden sferen werden vervolgens gemodificeerd met een specifific aminozuur genaamd L-cysteïne, dat fungeert als een moleculaire haak, klaar om ractopamine-moleculen te grijpen.

De sensor werkt door deze twee soorten deeltjes bij elkaar te brengen. Omdat de upconversion-deeltjes positief geladen zijn en de gouddeeltjes negatief geladen zijn, plakken ze van nature aan elkaar en vormen ze een hechte partnerschap. Wanneer dit partnerschap wordt gevormd, werken de gouddeeltjes als een spons die de lichtenergie van de upconversion-deeltjes opzuigt en hen verhindert te gloeien. Deze staat is de "uit"-schakelaar van de sensor. Echter, wanneer ractopamine aanwezig is, haast het zich naar de gouddeeltjes en bindt zich stevig aan de L-cysteïne haken. Deze binding is zo sterk dat het de gouddeeltjes wegtrekt van de upconversion-partners en ervoor zorgt dat de gouddeeltjes met elkaar gaan klonteren. Deze scheiding verbreekt het partnerschap, waardoor de upconversion-deeltjes weer gaan gloeien, terwijl het klonteren van de gouddeeltjes de vloeistof doet veranderen van kleur van rood naar blauw.

De onderzoekers testten dit systeem en vonden het ongelooflijk effectief. In een kleurgebaseerde modus, waarbij een persoon simpelweg naar de vloeistof kan kijken, kan de sensor ractopamine-concentraties van slechts 0,5 micromol per liter detecteren, waarbij de kleur zichtbaar verschuift van rood naar blauw naarmate de hoeveelheid chemische stof toeneemt. Voor een nog grotere gevoeligheid gebruikten het team een fluorescentie-modus die de gloed van de upconversion-deeltjes meet. Deze methode bleek veel nauwkeuriger en was in staat om ractopamine te detecteren op niveaus zo laag als 0,05 micromol per liter. De sensor is ook zeer selectief, wat betekent dat hij andere veelvoorkomende stoffen in voedsel negeert, zoals verschillende aminozuren, suikers en zelfs andere vergelijkbare medicijnen, en zich uitsluitend op ractopamine richt. Om hun praktische waarde te bewijzen, testte het team de sensor op werkelijke varkensvleesmonsters die waren verrijkt met bekende hoeveelheden van de chemische stof. De sensor identificeerde de ractopamine succesvol en berekende de hoeveelheden met hoge nauwkeurigheid, waarbij de resultaten overeenkwamen met de standaard laboratoriumtesten die door experts worden gebruikt.

De wetenschap achter dit succes berust op de specifieke manier waarop het ractopamine-molecuul interageert met de sensor. Door middel van gedetailleerde computersimulaties en chemische analyse bevestigden de onderzoekers dat het ractopamine-molecuul fungeert als een brug. Het heeft twee duidelijke uiteinden die tegelijkertijd aan twee verschillende gouddeeltjes kunnen grijpen, wat effectief zorgt voor de cross-linking en de klontering die de kleurverandering triggert. Deze specifieke brugvorming is uniek voor ractopamine vanwege de specifieke vorm en chemische structuur, wat verklaart waarom de sensor niet reageert op andere vergelijkbare medicijnen. De studie sloot ook andere mogelijke redenen voor de signaalveranderingen uit, zoals eenvoudige chemische interferentie of willekeurige klontering, waarmee werd bevestigd dat de detectie wordt gedreven door deze specifieke moleculaire handdruk. Door een eenvoudige visuele controle te combineren met een zeer gevoelige lichtgebaseerde meting, biedt deze nieuwe sensor een krachtig hulpmiddel om te garanderen dat het vlees op onze borden vrij is van schadelijke residuen, wat een snelle, betrouwbare en toegankelijke manier biedt om de voedselveiligheid te monitoren.