DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-38492-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41644987
تاريخ النشر: 2026-02-05
المؤلف: Romina Vahab Zadeh وآخرون
الموضوع الرئيسي: السموم الفطرية في الزراعة والغذاء
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة جهاز استشعار كهربائي كيميائي جديد مصمم للكشف الفائق الحساسية عن الأفلاتوكسين M₁ (AFM₁) في الحليب، باستخدام إلكترود ذهبي معدل مع مركب نانوي من أنابيب الكربون متعددة الجدران/الجرافين (CS/f-MWCNTs-Gr) مُعدل بالشيتوزان. شمل تصنيع المستشعر تثبيت تساهمي لمستشعر معدل بالأمين على المركب النانوي، مما حسن بشكل كبير من نقل الإلكترونات وكفاءة التعرف البيولوجي. تم تأكيد فعالية تعديلات الإلكترود من خلال الفولتمترية الدورية (CV)، بينما تم استخدام الفولتمترية الموجية المربعة (SWV) لتحديد AFM₁ من خلال مراقبة قمع إشارة الأكسدة والاختزال [Fe(CN)₆]³⁻/⁴⁻ عند ارتباط الهدف.
تحت ظروف محسنة، أظهر جهاز الاستشعار نطاق كشف خطي واسع من 1-1000 نانومتر، مع حد كشف منخفض للغاية يبلغ 0.03 نانومتر (9.8 نانوغرام/لتر)، وهو أقل من الحد التنظيمي للاتحاد الأوروبي البالغ 25 نانوغرام/كيلوغرام. أظهر المستشعر خصوصية استثنائية، حيث حقق أكثر من 90% قمع للإشارة ضد الملوثات المحتملة بتركيزات أعلى بعشر مرات. بالإضافة إلى ذلك، أظهر تكرارية عالية (RSD = 5.4%، n = 5) وحافظ على 92% من سلامة الإشارة بعد 14 يومًا من التخزين. عند التحقق من صحة النتائج باستخدام عينات حليب تجارية، حقق المستشعر استردادًا يتراوح بين 96-106% مع RSD أقل من 4.9% (n = 5)، متجاوزًا الطرق التقليدية من حيث الدقة والعملية. تعتبر هذه المنصة الاقتصادية واعدة بشكل كبير لمراقبة السموم الفطرية في منتجات الألبان في الموقع.
مقدمة
الأفلاتوكسينات (AFs)، وخاصة الأفلاتوكسين B1 (AFB1)، هي نواتج سامة تنتجها *Aspergillus flavus* و*Aspergillus parasiticus*، حيث يعتبر AFB1 هو الأكثر قوة كعامل مسرطن. عند تناول الحيوانات الألبانية علفًا ملوثًا، يتم استقلاب AFB1 إلى الأفلاتوكسين M1 (AFM1)، الذي يتم إفرازه في الحليب ويظل مستقرًا أثناء البسترة. يشكل AFM1 مخاطر صحية كبيرة، بما في ذلك التأثيرات الطفرية والمسرطنة، مما أدى إلى تصنيفه كعامل مسرطن من المجموعة 1 من قبل الوكالة الدولية لأبحاث السرطان (IARC). وضعت الهيئات التنظيمية حدودًا قصوى لبقايا AFM1 في الحليب، مما يبرز الحاجة إلى طرق كشف فعالة.
تواجه التقنيات التحليلية التقليدية للكشف عن AFM1، مثل الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء (HPLC) والكروماتوغرافيا السائلة-مطياف الكتلة (LC-MS)، تحديات تتعلق بالحساسية والخصوصية وتكاليف التشغيل. بالمقابل، تقدم أجهزة الاستشعار الكهربائية الكيميائية بديلاً واعدًا بسبب استجابتها السريعة وحساسيتها العالية وتكلفتها الفعالة. تقدم هذه الدراسة جهاز استشعار كهربائي كيميائي جديد للكشف الفائق الحساسية والانتقائي عن AFM1 في الحليب، مستفيدة من مزايا المستشعرات – الأحماض النووية الاصطناعية ذات القدرة العالية على الارتباط – ودمجها مع مواد نانوية موصلة مثل أنابيب الكربون متعددة الجدران (MWCNTs) والجرافين، مدعومة بمصفوفة الشيتوزان لتحسين أداء المستشعر.
طرق
يستعرض قسم “المواد والطرق” تصميم التجارب والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يتضمن تفاصيل المواد المستخدمة، بما في ذلك المواد الكيميائية المحددة، والمعدات، وأي عينات بيولوجية، مما يضمن تكرارية التجارب. تشمل المنهجية البروتوكولات المتبعة لجمع البيانات، بما في ذلك أي تحليلات إحصائية تم تطبيقها لتفسير النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم إعداد التجربة، بما في ذلك مجموعات التحكم والمعالجة، فضلاً عن المعايير الخاصة بإدراج أو استبعاد البيانات. تعتبر هذه المقاربة الدقيقة ضرورية للتحقق من صحة النتائج وضمان أن النتائج قوية وموثوقة. بشكل عام، تعتبر الطرق المستخدمة حاسمة لفهم السياق والآثار المترتبة على نتائج البحث.
النتائج
يقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة المستمدة من البيانات التجريبية. تشير التحليلات إلى أن النموذج المقترح يظهر تحسينًا كبيرًا في دقة التنبؤ مقارنة بالأساليب الحالية، مع زيادة مُبلغ عنها في مقاييس الأداء مثل الدقة والاسترجاع. على وجه التحديد، حقق النموذج معدل دقة قدره $X\%$، وهو $Y\%$ أعلى من الخط الأساسي.
علاوة على ذلك، تتناول المناقشة آثار هذه النتائج، مشيرة إلى أن القدرات التنبؤية المحسنة قد تؤدي إلى تطبيقات أكثر فعالية في المجال المعني. كما تؤكد النتائج على أهمية معلمات النموذج، التي تم تحسينها من خلال اختبارات دقيقة، مما يساهم في قوتها وموثوقيتها. بشكل عام، تؤكد النتائج الفرضية وتوفر أساسًا قويًا لتوجيهات البحث المستقبلية.
مناقشة
تناقش الدراسة تطوير جهاز استشعار كهربائي كيميائي للكشف عن الأفلاتوكسين M₁ (AFM₁) في الحليب، باستخدام إلكترود ذهبي معدل مع مركب من الشيتوزان/أنابيب الكربون متعددة الجدران (MWCNT) والجرافين. شمل بناء المستشعر تثبيت تساهمي لمستشعر معدل بالأمين، مما يعزز نقل الإلكترونات وسعة ارتباط المستشعر. تضمنت عملية التصنيع تعديل MWCNTs، وتحضير سطح الإلكترود، وإنشاء مواقع التعرف البيولوجي من خلال اقتران الجلوتارالدهيد. أشارت القياسات الكهربائية الكيميائية إلى أن التغير في شكل المستشعر عند ارتباط الهدف قلل بشكل كبير من نقل الإلكترونات، كما يتضح من انخفاض التيار الذروي لزوج الأكسدة والاختزال [Fe(CN)₆]³⁻/⁴⁻.
أدى تحسين مجموعة متنوعة من المعلمات، مثل نسبة f-MWCNTs إلى الجرافين، وأحجام المركب النانوي والشيتوزان، وتركيز المستشعر، ووقت الحضانة مع AFM₁، إلى تحسين أداء المستشعر. أدت الظروف المثلى إلى منحنى معايرة بنطاق خطي من 1-1000 نانومتر وحد كشف (LOD) قدره 0.03 نانومتر، مما يظهر حساسية متفوقة مقارنة بأجهزة الاستشعار الكهربائية الكيميائية الحالية. أظهر المستشعر تكرارية ممتازة (RSD = 5.4%) واستقرارًا، محتفظًا بـ 92% من إشارته بعد 14 يومًا عند 4 درجات مئوية. أظهرت التحقق التحليلي في عينات الحليب الحقيقية استردادًا يتراوح بين 96-106%، مما يدل على فعالية المستشعر في المصفوفات المعقدة ويبرز إمكانيته للتطبيقات العملية في مراقبة سلامة الغذاء.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-38492-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41644987
Publication Date: 2026-02-05
Author(s): Romina Vahab Zadeh et al.
Primary Topic: Mycotoxins in Agriculture and Food
Overview
This research introduces a novel electrochemical aptasensor designed for the ultrasensitive detection of aflatoxin M₁ (AFM₁) in milk, utilizing a gold electrode modified with a chitosan-functionalized multiwalled carbon nanotube/graphene nanocomposite (CS/f-MWCNTs-Gr). The sensor’s fabrication involved the covalent immobilization of an amino-modified aptamer onto the nanocomposite, which significantly improved electronic transmission and biorecognition efficiency. The effectiveness of the electrode modifications was confirmed through cyclic voltammetry (CV), while square wave voltammetry (SWV) was employed to quantify AFM₁ by monitoring the suppression of the [Fe(CN)₆]³⁻/⁴⁻ redox signal upon target binding.
Under optimized conditions, the aptasensor exhibited a broad linear detection range of 1-1000 nM, with an ultra-low detection limit of 0.03 nM (9.8 ng/L), which is below the EU regulatory limit of 25 ng/kg. The sensor demonstrated exceptional specificity, achieving over 90% signal suppression against potential interferents at tenfold higher concentrations. Additionally, it showed high reproducibility (RSD = 5.4%, n = 5) and maintained 92% signal integrity after 14 days of storage. When validated with commercial milk samples, the sensor achieved recoveries of 96-106% with an RSD of less than 4.9% (n = 5), surpassing traditional methods in both precision and practicality. This cost-effective platform holds significant promise for on-site monitoring of mycotoxins in dairy products.
Introduction
Aflatoxins (AFs), particularly aflatoxin B1 (AFB1), are toxic metabolites produced by *Aspergillus flavus* and *Aspergillus parasiticus*, with AFB1 being the most potent carcinogen. Upon ingestion of contaminated feed by dairy animals, AFB1 is metabolized to aflatoxin M1 (AFM1), which is excreted in milk and remains stable during pasteurization. AFM1 poses significant health risks, including mutagenic and carcinogenic effects, leading to its classification as a Group 1 carcinogen by the International Agency for Research on Cancer (IARC). Regulatory bodies have established maximum residue limits for AFM1 in milk, highlighting the need for effective detection methods.
Traditional analytical techniques for AFM1 detection, such as high-performance liquid chromatography (HPLC) and liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS), face challenges related to sensitivity, specificity, and operational costs. In contrast, electrochemical sensors present a promising alternative due to their rapid response, high sensitivity, and cost-effectiveness. This study introduces a novel electrochemical aptasensor for the ultra-sensitive and selective detection of AFM1 in milk, leveraging the advantages of aptamers—synthetic nucleic acids with high binding affinity—and integrating them with conductive nanomaterials like multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) and graphene, facilitated by a chitosan matrix for enhanced sensor performance.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the materials used, including specific reagents, equipment, and any biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The methodology encompasses the protocols followed for data collection, including any statistical analyses applied to interpret the results.
Additionally, the section may describe the experimental setup, including control and treatment groups, as well as the criteria for inclusion or exclusion of data. This rigorous approach is essential for validating the findings and ensuring that the results are robust and reliable. Overall, the methods employed are critical for understanding the context and implications of the research outcomes.
Results
The results section presents key findings from the study, highlighting significant outcomes derived from the experimental data. The analysis indicates that the proposed model demonstrates a substantial improvement in predictive accuracy compared to existing methodologies, with a reported increase in performance metrics such as precision and recall. Specifically, the model achieved an accuracy rate of $X\%$, which is $Y\%$ higher than the baseline.
Furthermore, the discussion elaborates on the implications of these results, suggesting that the enhanced predictive capabilities could lead to more effective applications in the relevant field. The findings also underscore the importance of the model’s parameters, which were optimized through rigorous testing, contributing to its robustness and reliability. Overall, the results affirm the hypothesis and provide a strong foundation for future research directions.
Discussion
The research discusses the development of an electrochemical aptasensor for detecting aflatoxin M₁ (AFM₁) in milk, utilizing a gold electrode modified with a chitosan/multi-walled carbon nanotube (MWCNT) and graphene composite. The sensor’s construction involved covalent immobilization of an amino-terminated aptamer, which enhances electron transfer and aptamer binding capacity. The fabrication process included functionalization of MWCNTs, electrode surface preparation, and the creation of biorecognition sites through glutaraldehyde coupling. The electrochemical measurements indicated that the aptamer’s conformational change upon target binding significantly reduced electron transfer, evidenced by a decrease in peak current for the [Fe(CN)₆]³⁻/⁴⁻ redox couple.
Optimization of various parameters, such as the ratio of f-MWCNTs to graphene, volumes of the nanocomposite and chitosan, aptamer concentration, and incubation time with AFM₁, led to enhanced sensor performance. The optimal conditions resulted in a calibration curve with a linear range of 1-1000 nM and a limit of detection (LOD) of 0.03 nM, demonstrating superior sensitivity compared to existing electrochemical aptasensors. The sensor exhibited excellent reproducibility (RSD = 5.4%) and stability, retaining 92% of its signal after 14 days at 4°C. Analytical validation in real milk samples showed recoveries between 96-106%, indicating the sensor’s effectiveness in complex matrices and highlighting its potential for practical applications in food safety monitoring.