DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-38556-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41673225
تاريخ النشر: 2026-02-11
المؤلف: Zhenyun Du وآخرون
الموضوع الرئيسي: تحليل الصبغات والسمية
نظرة عامة
تقدم الدراسة تطوير مستشعر كهربائي كيميائي قائم على البوليمر المطبوعة جزيئيًا المغناطيسي (MMIP) للكشف الانتقائي عن صبغة الشمس الأصفر (SY)، وهي صبغة أزو صناعية شائعة في الغذاء والأدوية ومستحضرات التجميل. باستخدام 1-فينيل بيريدين كالمونومر الوظيفي، أظهر المستشعر خصوصية عالية مع سعة امتصاص قصوى تبلغ 80 ملغ جرام⁻¹ تحت ظروف مثلى (pH 2، 2 ملغ جرعة ماص، 18 دقيقة زمن اتصال). اتبعت حركيات الامتصاص نموذجًا زائفًا من الدرجة الثانية، وأشار إيزوثيرم لانغموير إلى امتصاص أحادي الطبقة. كشفت التقييمات الكهربائية الكيميائية أن المستشعر يعمل بشكل مثالي عند pH 7، مع زمن تراكم قدره 60 ثانية وتركيز 1.5 × 10⁻³ م، محققًا معدلات استرداد تتراوح بين 72.9-99.3% في عينات المياه والمشروبات الحقيقية. تم تحديد حدود الكشف (LOD) والتقدير (LOQ) عند 5.82 × 10⁻⁵ م و1.76 × 10⁻⁴ م، على التوالي.
في الختام، أظهر المستشعر الكهربائي الكيميائي القائم على MMIP حساسية وخصوصية وإعادة إنتاجية ممتازة، مما يجعله أداة واعدة لمراقبة مستويات trace من SY في مصفوفات معقدة. عزز دمج الجسيمات النانوية المغناطيسية مساحة سطح المستشعر وسهل الفصل السريع، بينما قدم البوليمر المطبوعة مواقع تعرف محددة لـ SY. تؤكد النتائج على إمكانيات منصات MMIP لمراقبة البيئة وتقييم سلامة الغذاء، مع خطط للدراسات المستقبلية لمقارنة كميًا مع معلمات البوليمر غير المطبوعة (NIP) وإجراء دراسات امتصاص منهجية لـ MNIPs تحت ظروف مماثلة. تمهد هذه الأبحاث الطريق لمستشعرات كهربائية كيميائية مطبوعة جزيئيًا متقدمة قابلة للتطبيق على إضافات خطرة أخرى وملوثات ناشئة.
طرق
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون عدة مواد رئيسية لإجراءاتهم التجريبية. تضمنت المواد الأساسية صبغة SY (نقاء 90%، مصدرها MACSEN LABS)، 1-فينيل بيريدين (نقاء 95%، تم الحصول عليها من موردين كيميائيين في الولايات المتحدة)، ودايميثاكريلات الإيثيلين غليكول (EGDMA، نقاء 99%، مقدمة من سيغما ألدريش). بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام أزوبيسيسوبوتيرونيتريل (AIBN، نقاء 98%، أيضًا من سيغما ألدريش) كمبادر جذري. تم التأكد من أن جميع المواد الكيميائية من الدرجة التحليلية، مما يضمن موثوقية وإعادة إنتاجية النتائج التجريبية.
نتائج
تكشف نتائج الدراسة عن اكتشافات مهمة تتعلق بالخصائص الهيكلية والتركيبية للبوليمرات المطبوعة جزيئيًا (MMIPs) والبوليمرات غير المطبوعة (MNIPs). أظهرت المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) أن MMIPs تحتوي على جزيئات كروية غير منتظمة ذات بنية نواة وقشرة وقطر متوسط يبلغ حوالي 69 نانومتر، تتميز بملمس خشن بسبب تجاويف الطباعة. في المقابل، أظهرت MNIPs سطحًا أكثر سلاسة وقطرًا متوسطًا أكبر يبلغ حوالي 194 نانومتر.
أكدت مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) نجاح بلمرة MMIPs، مع تحديد نطاقات الامتصاص الرئيسية المرتبطة بالمجموعات الوظيفية الموجودة في البوليمرات، بما في ذلك اهتزازات تمدد C=N وC=C عند 1638 سم⁻¹ و1452 سم⁻¹، على التوالي. تم الإشارة إلى وجود المغنتيت من خلال نطاق امتصاص عند 532 سم⁻¹، بينما كان النطاق الحاد عند 1721 سم⁻¹ يتوافق مع اهتزازات تمدد C=O من EGDMA. بالإضافة إلى ذلك، كشفت تحليل الفلورية بالأشعة السينية (XRF) عن التركيب العنصري لكل من MMIPs وMNIPs، مؤكدة دمج جسيمات المغنتيت (Fe₃O₄) في مصفوفة البوليمر، كما يتضح من محتوى الحديد الكبير. كما أشار التركيز الكبير من السيليكون إلى نجاح تعديل السطح مع طبقة من السيليكا، مما يعزز استقرار ووظائف الجسيمات النانوية المغناطيسية.
مناقشة
في هذه الدراسة، طور المؤلفون بوليمرات مطبوعة جزيئيًا مغناطيسية (MMIPs) للكشف الانتقائي عن صبغة الشمس الأصفر (SY)، باستخدام الجسيمات النانوية المغناطيسية (MNPs) كالمادة الأساسية. تم تصنيع MNPs من خلال طريقة الترسيب المشترك وتم تعديلها لاحقًا لإدخال مجموعات وظيفية من الفينيل، مما يسهل البلمرة. تضمنت عملية البلمرة استخدام 1-فينيل بيريدين كمونومر وظيفي، مما عزز من قدرة الربط لصبغة SY السالبة الشحنة من خلال التفاعلات الكهروستاتيكية. تم استخدام تقنيات التوصيف مثل المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، ومطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، وتحليل الفلورية بالأشعة السينية (XRF) لتحليل الخصائص الشكلية والفيزيائية الكيميائية للبوليمرات المصنعة.
كشفت تجارب الامتصاص أن MMIPs أظهرت كفاءة ربط متفوقة مقارنة بالبوليمرات غير المطبوعة (NIPs)، مع أداء مثالي لوحظ عند pH حمضي قدره 2. زادت سعة الامتصاص مع تركيز SY حتى تم الوصول إلى التشبع، وأشارت الدراسات الحركية إلى أن عملية الامتصاص كانت أفضل وصفًا بنموذج زائف من الدرجة الثانية، مما يشير إلى الكيميائيات كخطوة محددة للسرعة. أظهرت دراسات الاستشعار الكهربائي الكيميائي أن MMIPs قدمت حساسية وخصوصية محسنتين للكشف عن SY، مع تحديد الظروف المثلى عند pH 7 وزمن تراكم قدره 90 ثانية. أظهر المستشعر معدلات استرداد عالية (72.9% إلى 99.3%) في تحليلات العينات الحقيقية، مما يؤكد قابليته العملية لمراقبة البيئة وتقييم سلامة الغذاء. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على إمكانيات مستشعرات MMIP القائم على الكشف الدقيق عن الأصباغ الصناعية وإضافات خطرة أخرى في مصفوفات معقدة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-38556-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41673225
Publication Date: 2026-02-11
Author(s): Zhenyun Du et al.
Primary Topic: Dye analysis and toxicity
Overview
The study presents the development of a magnetic molecularly imprinted polymer (MMIP)-based electrochemical sensor for the selective detection of Sunset Yellow (SY), a synthetic azo dye prevalent in food, pharmaceuticals, and cosmetics. Utilizing 1-vinylpyridine as the functional monomer, the sensor demonstrated high specificity with a maximum sorption capacity of 80 mg g⁻¹ under optimal conditions (pH 2, 2 mg sorbent dosage, 18 min contact time). The adsorption kinetics followed a pseudo-second-order model, and the Langmuir isotherm indicated monolayer adsorption. Electrochemical evaluations revealed that the sensor operates optimally at pH 7, with an accumulation time of 60 s and a concentration of 1.5 × 10⁻³ M, achieving recovery rates of 72.9-99.3% in real water and beverage samples. The limits of detection (LOD) and quantification (LOQ) were established at 5.82 × 10⁻⁵ M and 1.76 × 10⁻⁴ M, respectively.
In conclusion, the MMIP-based electrochemical sensor exhibited excellent sensitivity, selectivity, and reproducibility, making it a promising tool for trace-level monitoring of SY in complex matrices. The incorporation of magnetic nanoparticles enhanced the sensor’s surface area and facilitated rapid separation, while the imprinted polymer provided specific recognition sites for SY. The findings underscore the potential of MMIP platforms for environmental monitoring and food safety assessments, with plans for future studies to quantitatively compare with non-imprinted polymer (NIP) parameters and to conduct systematic adsorption studies of MNIPs under similar conditions. This research paves the way for advanced molecularly imprinted electrochemical sensors applicable to other hazardous additives and emerging contaminants.
Methods
In this study, the authors utilized several key materials for their experimental procedures. The primary materials included SY dye (90% purity, sourced from MACSEN LABS), 1-vinylpyridine (95% purity, obtained from USA Chemical Suppliers), and ethylene glycol dimethacrylate (EGDMA, 99% purity, provided by Sigma Aldrich). Additionally, azobisisobutyronitrile (AIBN, 98% purity, also from Sigma Aldrich) was employed as a radical initiator. All reagents were confirmed to be of analytical grade, ensuring the reliability and reproducibility of the experimental results.
Results
The results of the study reveal significant findings regarding the structural and compositional characteristics of molecularly imprinted polymers (MMIPs) and non-imprinted polymers (MNIPs). Scanning electron microscopy (SEM) demonstrated that MMIPs possess irregular spherical particles with a core-shell structure and an average diameter of approximately 69 nm, characterized by a rough texture due to imprinting cavities. In contrast, MNIPs exhibited a smoother surface and a larger average diameter of around 194 nm.
Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) confirmed the successful polymerization of MMIPs, identifying key absorption bands associated with the functional groups present in the polymers, including C=N and C=C stretching vibrations at 1638 cm⁻¹ and 1452 cm⁻¹, respectively. The presence of magnetite was indicated by an absorption band at 532 cm⁻¹, while the sharp band at 1721 cm⁻¹ corresponded to C=O stretching vibrations from EGDMA. Additionally, X-ray fluorescence (XRF) analysis revealed the elemental composition of both MMIPs and MNIPs, confirming the incorporation of magnetite (Fe₃O₄) nanoparticles into the polymer matrix, as evidenced by substantial iron content. The significant silicon concentration further indicated successful surface modification with a silica layer, enhancing the stability and functionality of the magnetic nanoparticles.
Discussion
In this study, the authors developed magnetic molecularly imprinted polymers (MMIPs) for the selective detection of Sunset Yellow (SY) dye, utilizing magnetic nanoparticles (MNPs) as the core material. The MNPs were synthesized through a co-precipitation method and subsequently modified to introduce vinyl functional groups, facilitating polymerization. The polymerization process involved the use of 1-vinylpyridine as a functional monomer, which enhanced the binding affinity for the anionic SY dye through electrostatic interactions. Characterization techniques such as scanning electron microscopy (SEM), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), and X-ray fluorescence (XRF) were employed to analyze the morphological and physicochemical properties of the synthesized polymers.
Sorption experiments revealed that the MMIPs exhibited superior binding efficiency compared to non-imprinted polymers (NIPs), with optimal performance observed at an acidic pH of 2. The adsorption capacity increased with SY concentration until saturation was reached, and kinetic studies indicated that the sorption process was best described by a pseudo-second-order model, suggesting chemisorption as the rate-limiting step. Electrochemical sensing studies demonstrated that the MMIPs provided enhanced sensitivity and selectivity for SY detection, with optimal conditions identified at pH 7 and an accumulation time of 90 seconds. The sensor showed high recovery rates (72.9% to 99.3%) in real sample analyses, confirming its practical applicability for environmental monitoring and food safety assessments. Overall, the findings highlight the potential of MMIP-based sensors for accurate detection of synthetic dyes and other hazardous additives in complex matrices.