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

In de wereld van de moderne voedselproductie is het langer vers houden van producten een constante uitdaging. Om te voorkomen dat voedsel bederft of ranzig wordt, voegen fabrikanten vaak chemische conserveermiddelen toe die bekend staan als antioxidanten. Een van de meest voorkomende hiervan is een stof genaamd propylgallat. Het werkt door schadelijke moleculen die bederf veroorzaken te neutraliseren, waardoor de houdbaarheid van alles van vleeswaren tot verpakte koekjes effectief wordt verlengd. Hoewel deze chemische stof nuttig is, kan het consumeren van te veel ervan schadelijk zijn voor het menselijk lichaam, wat potentieel kan leiden tot maagirritatie of schade aan de lever en nieren. Vanwege deze risico's hebben overheden wereldwijd strikte limieten vastgesteld voor hoeveel ervan in ons voedsel aanwezig mag zijn. Om ervoor te zorgen dat deze limieten worden gerespecteerd, hebben wetenschappers betrouwbare manieren nodig om exact te meten hoeveel propylgallat er in een verpakking zit. Traditionele methoden om dit te doen zijn vaak traag, vereisen dure machines en hebben hoog opgeleide specialisten nodig om ze te bedienen. Dit creëlt een behoefte aan een snellere, goedkopere en eenvoudigere manier om de voedselveiligheid direct ter plaatse van het voedsel te controleren.

Een team onderzoekers van het Hunan Institute of Science and Technology en Yueyang University in China heeft een nieuw hulpmiddel ontwikkeld om dit probleem op te lossen. Ze hebben een gespecialiseerde sensor ontwikkeld die in staat is om propylgallat met hoge precisie te detecteren, zonder te vertrouwen op dure of zeldzame metalen die gewoonlijk voor dergelijke apparaten worden gebruikt. In plaats van kostbare materialen zoals goud of platina te gebruiken, bouwde het team hun sensor met behulp van een slimme combinatie van drie veelvoorkomende, niet-giftige componenten. Het hart van hun apparaat is een kleine elektrode die is gecoat met een unieke mengeling van materialen: tin sulfide, dat bloemachtige structuren vormt; een type koolstofnanobuisje dat is geïnfundeerd met stikstof om het zeer geleidend te maken; en een gelaagde verbinding gemaakt van ijzer en kobalt. Door zorgvuldig te ontwerpen hoe deze drie materialen samen liggen, creëerden de onderzoekers een oppervlak dat fungeert als een zeer efficiënte val voor de propylgallatmoleculen.

Het proces van het maken van deze sensor omvatte een reeks nauwkeurige stappen om ervoor te zorgen dat de materialen perfect samenwerkten. Eerst maakten de onderzoekers de stikstofgedoteerde koolstofnanobuisjes door een mengsel van melamine en kobaltnitraat te verhitten tot extreem hoge temperaturen. Vervolgens voegden ze de ijzer-kobaltverbinding toe aan deze koolstofnanobuisjes, gevolgd door de tin sulfide, die werd gekweekt in een nanofbloemvorm. Het doel was om een structuur te creëren waarin de verschillende materialen gemakkelijk elektronen konden delen, waardoor de sensor extreem gevoelig werd. Wanneer de onderzoekers dit nieuwe composiet testten, ontdekten ze dat het elektriciteit veel beter geleidde dan elk van de afzonderlijke onderdelen die alleen werden gebruikt. Deze verbeterde stroom van elektriciteit betekende dat de sensor veel sneller en sterker kon reageren op de aanwezigheid van propylgallat dan eerdere ontwerpen.

Toen ze de sensor testten op zijn vermogen om propylgallat te vinden, waren de resultaten indrukwekkend. Het apparaat kon de chemische stof detecteren op ongelooflijk lage niveaus, tot wel zo weinig als 0,049 micromol per liter. Deze gevoeligheid is cruciand omdat het de sensor in staat stelt zelfs sporen van het conserveermiddel op te sporen, ruim onder de veiligheidslimieten die door regelgevers zijn vastgesteld. Bovendien werkte de sensor accuraat over een zeer breed bereik van concentraties, van minuscule sporen tot hoge niveaus van 1.000 micromol per liter. Dit brede bereik betekent dat dezelfde sensor gebruikt kan worden om voedsel met weinig conserveermiddel en voedsel met veel conserveermiddel te controleren, zonder dat deze aangepast of vervangen hoeft te worden. De onderzoekers testten ook hoe goed de sensor onderscheid kon maken tussen propylgallat en andere veelvoorkomende stoffen die in voedsel worden gevonden, zoals suikers, vitaminen en andere conserveermiddelen. De sensor vertoonde een uitstekende selectiviteit, waarbij hij deze andere stoffen negeerde en alleen reageerde op de propylgallat, wat essentieel is voor het krijgen van een nauwkeurige meting in complexe voedselmonsters.

Om te bewijzen dat de sensor in de echte wereld werkte, testte het team hem op daadwerkelijke verpakte voedingsmiddelen, waaronder koekjes en vleeswaren. Ze extraheerden de inhoud van deze voedingsmiddelen en haalden deze door de sensor. Het apparaat presteerde met opmerkelijke nauwkeurigheid en herstelde tussen de 97,68% en 99,69% van de propylgallat die er bekend was. Om absoluut zeker te zijn van hun resultaten, vergeleken de onderzoekers de bevindingen van hun sensor met een standaard laboratoriummethode genaamd high-performance liquid chromatography, die wordt beschouwd als de gouden standaard voor chemische analyse. De resultaten van hun nieuwe sensor kwamen bijna perfect overeen met de standaardmethode, met slechts minimale verschillen die gebruikelijk zijn bij het vergelijken van verschillende technieken. Dit bevestigde dat hun nieuwe, goedkope apparaat net zo betrouwbaar is als de dure, complexe machines die momenteel in laboratoria worden gebruikt.

Het succes van dit project ligt in de specifieke manier waarop de materialen werden gecombineerd. De onderzoekers ontdekten dat het simpelweg mengen van de ingrediënten niet genoeg was; de materialen moesten zo worden ontworpen dat hun oppervlakken op een zeer specifieke manier contact maakten. Dit intieme contact creëerde een synergetisch effect, waarbij het geheel groter werd dan de som der delen. De koolstofnanobuisjes boden een snelle snelweg voor elektriciteit, terwijl de ijzer-kobaltverbinding en de tin sulfide-bloemen voldoende plaatsen boden waar de propylgallatmoleculen aan konden blijven plakken en reageren. Dit ontwerp stelde de sensor in staat om stabiel en accuraat te blijven over een langere periode, waarbij bijna al zijn prestaties behouden bleven zelfs na een maand opslag. Door te bewijzen dat een sensor gemaakt van veelvoorkomende, niet-kostbare materialen vele bestaande systemen kan overtreffen, biedt dit werk een veelbelovend pad naar veiligere, meer toegankelijke voedselmonitoring. Het suggereert dat voedselveiligheidscontroles in de toekomst snel en goedkoop kunnen worden uitgevoerd, misschien zelfs met draagbare apparaten, waardoor gegarandeerd wordt dat het voedsel in onze schappen veilig is voor iedereen om te eten.