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

Voedselveiligheid is een constante strijd tegen onzichtbare dreigingen, en een van de gevaarlijkste daarvan zijn aflatoxines. Dit zijn giftige stoffen die worden geproduceerd door bepaalde schimmels die groeien op gewassen zoals granen en noten. Een specifiek type, bekend als aflatoxine B1, is bijzonder gevaarlijk omdat het ernstige leverschade kan veroorzaken en een bekende oorzaak van kanker is. Omdat deze toxines hittebestendig zijn, overleven ze koken en verwerking, waardoor ze een hardnekkig risico vormen in de wereldwijde voedselvoorraad. Het snel en nauwkeurig detecteren ervan is essentieel, maar traditionele methoden vereisen vaak dure laboratoriumapparatuur en hoogopgeleide wetenschappers, wat ze onpraktisch maakt voor het controleren van voedsel in het veld of in kleine markten. Er is een groeiende behoefte aan een eenvoudige, snelle en goedkope manier om deze toxines op te sporen voordat ze de consument bereiken.

Onderzoekers verkennen nieuwe manieren om sensoren te bouwen die geen complexe chemische labels of uitgebreide voorbereidingsstappen vereisen. Een veelbelovende aanpak houdt in dat er gebruik wordt gemaakt van minuscule druppeltjes vloeibaar kristal, een tussenfase van materie die zich tussen een vloeistof en een vaste stof in bevindt en gevoelig is voor veranderingen aan zijn oppervlak. Door deze druppeltjes te combineren met een materiaal dat het gedrag van natuurlijke enzymen nabootst, kunnen wetenschappers een systeem creëren dat van kleur verandert in aanwezigheid van een specifiek doelwit. Deze nieuwe studie introduceert een methode om aflatoxine B1 te detecteren met een dergelijk systeem, waarbij wordt vertrouwd op een kettingreactie die begint met het toxine zelf en eindigt met een zichtbare kleurverandering die met het blote oog kan worden waargenomen.

Het team, onder leiding van onderzoekers van de Hunan University of Chinese Medicine en de Hunan Agricultural University, heeft een sensor ontworpen die werkt als een moleculaire schakelaar. In het hart van het systeem bevinden zich microscopische druppeltjes vloeibaar kristal, die fungeren als piepkleine containers. In deze containers hebben de onderzoekers een stof geplaatst genaamd glutathion, een molecuul dat andere chemicaliën kan afbreken. Deze druppeltjes worden gestabiliseerd door een laag surfactant, een type zeepachtig molecuul dat ervoor zorgt dat het vloeibare kristal zich niet mengt met het water eromheen. Om de sensor te laten werken, hebben de onderzoekers ook een specifieke DNA-streng geïntroduceerd, een aptameer genoemd, die geprogrammeerd is om met hoge precisie aan aflatoxine B1 te binden. Ze voegden ook een tweede molecuul toe, een positief geladen surfactant, die fungeert als de trigger voor het systeem.

In de afwezigheid van het toxine houdt de DNA-streng de positief geladen surfactant zo stevig vast dat de surfactant de vloeibare kristaldruppeltjes niet kan bereiken. Omdat de trigger op slot zit, blijven de vloeibare kristaldruppeltjes intact, waardoor de glutathion veilig binnen de druppels wordt bewaard. De onderzoekers voegden vervolgens een chemische stof toe die van kleur verandert wanneer deze wordt geoxideerd, samen met een materiaal genaamd mangaanoxide-nanosheets. Deze nanosheets fungen als een katalysator die de reactie versnelt die de kleurloze chemische stof in een heldergeel maakt. Aangezien de glutathion gevangen zit in de druppeltjes en niet kan interfereren, kunnen de nanosheets vrij werken en wordt de oplossing diepgeel.

Het verhaal verandert echter wanneer aflatoxine B1 aanwezig is. Het toxine heeft een sterkere aantrekkingskracht op de DNA-streng dan de surfactant heeft. Wanneer het toxine wordt geïntroduceerd, bindt het zich aan het DNA, waardoor het DNA de surfactant loslaat. Eenmaal vrijgegeven, stort de surfactant zich naar het oppervlak van de vloeibare kristaldruppeltjes. De plotselinge aankomst van de surfactant verstoort het delicate evenwicht aan het oppervlak van de druppel, waardoor de druppel zijn inhoud uitstoot. De glutathion, nu vrij in het water, valt de mangaanoxide-nanosheets aan en breekt ze af. Zonder deze nanosheets kan de chemische reactie die de gele kleur produceert niet plaatsvinden. Het resultaat is een oplossing die helder of kleurloos blijft. Het verschil tussen een heldergele oplossing en een heldere oplossing biedt een eenvoudig visueel signaal: geel betekent dat het voedsel veilig is, terwijl helder betekent dat het gevaarlijke toxine aanwezig is.

De onderzoekers hebben dit systeem onder verschillende omstandigheden getest om te waarborgen dat het betrouwbaar werkt. Ze ontdekten dat de reactie snel plaatsvond en binnen tien minuten een stabiele toestand bereikte bij een temperatuur van 35 graden Celsius. Ze stelden vast dat de sensor aflatoxine B1 kon detecteren in concentraties zo laag als 0,73 nanogram per milliliter, wat een extreem kleine hoeveelheid is. Het systeem vertoonde een lineaire respons, wat betekent dat de kleur progressief lichter werd naarmate de hoeveelheid toxine toenam, waardoor nauwkeurige meting binnen een specifiek bereik mogelijk was. Cruciaal was dat de sensor zeer specifiek was. Wanneer de onderzoekers het testten tegen andere veelvoorkomende toxines die in voedsel worden gevonden, zoals die die schimmelvorming in maïs of tarwe veroorzaken, reageerde de sensor niet. De sensor veranderde alleen van kleur wanneer het specifieke doelwit, aflatoxine B1, aanwezig was, zelfs wanneer andere toxines in veel hogere concentraties aanwezig waren.

Om te bewijzen dat de methode in de echte wereld werkt, heeft het team de methode getest op werkelijke voedselmonsters, waaronder zonnebloempitten, sojamelkpoeder en melk. Ze voegden bekende hoeveelheden van het toxine toe aan deze monsters en maten hoe goed de sensor dit kon vinden. De resultaten lieten zien dat de sensor tussen 92% en 108% van het toegevoegde toxine kon terugwinnen, wat wijst op een hoge nauwkeurigheid. Ze vergeleken hun resultaten ook met een standaard laboratoriumtechniek genaamd high-performance liquid chromatography, die wordt beschouwd als de gouden standaard voor dit type analyse. De resultaten van de sensor kwamen bijna perfect overeen met de laboratoriummetingen, wat bevestigt dat deze eenvoudige, visuele methode net zo betrouwbaar is als de complexe apparatuur die in professionele laboratoria wordt gebruikt.

Dit werk demonstreert dat het mogelijk is om een krachtig detectietool te creëren zonder de noodzaak van complexe labeling of dure machines. Door gebruik te maken van de natuurlijke eigenschappen van vloeibare kristallen en het specifieke bindingsvermogen van DNA, hebben de onderzoekers een systeem gebouwd dat een microscopische moleculaire gebeurtenis vertaalt naar een duidelijk, zichtbaar signaal. De methode is snel, kosteneffectief en gemakkelijk te gebruiken, en biedt een praktische oplossing voor het monitoren van de voedselveiligheid op plaatsen waar geavanceerde laboratoria niet beschikbaar zijn. Het vertegenwoordigt een belangrijke stap naar het toegankelijk maken van de detectie van gevaarlijke voedselcontaminanten voor iedereen, om ervoor te zorgen dat het voedsel op onze tafels veilig is om te eten.