DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202309625
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38224595
تاريخ النشر: 2024-01-15
المؤلف: Natasha Logan وآخرون
الموضوع الرئيسي: السموم الفطرية في الزراعة والغذاء
نظرة عامة
تتناول ورقة البحث التقدم في مطيافية رامان المعززة بالسطح (SERS) للكشف في الموقع عن السموم الفطرية في الغذاء والعلف، مع تسليط الضوء على أهمية المواد النانوية الجديدة في تعزيز الحساسية والخصوصية. على الرغم من الإمكانات التي أظهرتها منهجيات مختلفة على مدار العقد الماضي، تشير الورقة إلى أن أيًا منها لم تحقق التحقق اللازم للاختبارات الروتينية. يصنف المؤلفون التقنيات الحالية إلى ثلاث مجموعات بناءً على مرحلة تطويرها وعمليتها: تُظهر طرق الفئة A حساسية عالية ولكن تفتقر إلى الجدوى في المصفوفات الحقيقية؛ حققت طرق الفئة B تقدمًا نحو التسويق ولكن لا تزال تواجه تحديات في إعداد العينات؛ بينما تحسنت طرق الفئة C من خلال تحليل العينات الملوثة بشكل طبيعي ولكن غالبًا لا تلبي متطلبات الحساسية التنظيمية.
تشدد الورقة على أن تصميم وتصنيع ركائز SERS أمر حاسم لتحقيق الحساسية والانتقائية والاستقرار المطلوب في التطبيقات الواقعية. وتقترح أن تركز الجهود المستقبلية على تعزيز إمكانات تسويق تقنيات SERS من خلال تحسين استقرار الركيزة، وتقليل تكاليف الإنتاج، وتبسيط إعداد العينات، بدلاً من السعي فقط لتحقيق حساسية أعلى. بالإضافة إلى ذلك، يُقترح دمج خوارزميات التعلم الآلي وتقنيات دمج البيانات كوسيلة لتعزيز دقة وموثوقية قياسات SERS. بشكل عام، يدعو المؤلفون إلى التحول نحو التطبيقات العملية والتحقق من منهجيات SERS في البيئات الواقعية لتسهيل اعتمادها في صناعة الأغذية الزراعية.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث أهمية السموم الفطرية، وهي نواتج ثانوية سامة تنتجها بعض الفطريات، وخاصة تلك من أجناس Aspergillus وFusarium وPenicillium، من بين آخرين. وتبرز أنه تم تحديد أكثر من 300 سم من السموم الفطرية، مع كون الأفلاتوكسينات ودي أوكسينيفالينول وأوكراتوكسي A من الأمور التي تثير القلق بشكل خاص بالنسبة لسلامة الغذاء. تتأثر انتشار السموم الفطرية في المنتجات الزراعية بالظروف الإقليمية والمناخية، ومن المتوقع أن يؤدي تغير المناخ إلى تفاقم حدوثها وإمكانية إدخال سموم جديدة. تقدر منظمة الأغذية والزراعة أن حوالي 25% من الحبوب العالمية ملوثة بالسموم الفطرية، وهو رقم من المحتمل أن يكون أقل من الواقع بسبب تحسين طرق الكشف.
كما تؤكد هذه الفقرة على التحديات في الكشف السريع والدقيق عن السموم الفطرية في الغذاء والعلف، مشيرة إلى أن التقنيات التحليلية التقليدية، على الرغم من حساسيتها، ليست مناسبة للاستخدام الميداني. تظهر الطرق الناشئة، وخاصة تقنيات الطيف مثل الأشعة تحت الحمراء (IR) ومطيافية رامان المعززة بالسطح (SERS)، وعدًا للاختبار في الموقع. ومع ذلك، فإن القضايا مثل الحساسية، وإعداد العينات، والحاجة إلى معدات متخصصة تعيق اعتمادها على نطاق واسع. تهدف المراجعة إلى تقييم التقدمات الأخيرة في تكنولوجيا SERS، بما في ذلك تطوير المواد النانوية ودمج عناصر التعرف لتحسين الكشف، مع معالجة التحديات العملية التي لا تزال قائمة في تنفيذ هذه التقنيات في صناعة الأغذية الزراعية.
طرق
تناقش هذه الفقرة طرقًا مختلفة للكشف عن السموم الفطرية باستخدام المواد النانوية المتقدمة، مع التركيز بشكل خاص على الجسيمات النانوية الثنائية المعدن والجسيمات النانوية المغناطيسية، بالإضافة إلى الهياكل المجمعة ذاتيًا. تظهر المواد النانوية الثنائية المعدن، مثل سبائك Au-Ag، إشارات مطيافية رامان المعززة بالسطح (SERS) محسنة واستقرارًا، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات مثل الكشف الفائق الحساسية عن الأفلاتوكسين B1 (AFB1) في حليب الفول السوداني وأوكراتوكسي A (OTA) في القمح والذرة. على سبيل المثال، حقق Li وآخرون حد الكشف (LOD) قدره 500 نانوغرام لكل كيلوجرام لـ AFB1 باستخدام مستشعر SERS معدل بواسطة أبتامير، بينما أبلغ Chen وآخرون عن حدود الكشف لـ OTA قدرها 20 نانوغرام لكل كيلوجرام و50 نانوغرام لكل كيلوجرام لـ ZEN مع معدلات استرداد عالية.
تلعب الجسيمات النانوية المغناطيسية (MNPs) أيضًا دورًا حاسمًا في تعزيز دقة الكشف وإعادة الإنتاجية من خلال تسهيل فصل المحللات المستهدفة عن العينات المعقدة. أظهر Zhao وآخرون الكشف المزدوج عن AFB1 وOTA في الذرة باستخدام MNPs مع الجسيمات النانوية Ag@Au ذات النواة والقشرة، محققين حدود كشف تتراوح بين 6-30 نانوغرام لكل كيلوجرام. سلطت دراسات أخرى الضوء على استخدام الهياكل النانوية المغناطيسية متعددة الوظائف للكشف عن AFB1 في زيت الفول السوداني وكشف OTA في النبيذ الأحمر، مع حدود كشف منخفضة تصل إلى 4 نانوغرام لكل كيلوجرام ومعدلات استرداد تتراوح بين 91% إلى 112%. تختتم الفقرة بالتأكيد على تحديات إعادة الإنتاجية والتجانس في الكشف باستخدام SERS، مقترحة أن الجمع بين طرق التصنيع من الأسفل إلى الأعلى ومن الأعلى إلى الأسفل قد يكون ضروريًا لتحسين استقرار وأداء الركائز النانوية.
مناقشة
تؤكد فقرة المناقشة في ورقة البحث على أهمية النانو تصنيع في تعزيز الحساسية والانتقائية وإعادة الإنتاجية لمطيافية رامان المعززة بالسطح (SERS) للكشف عن السموم الفطرية. يتم تسليط الضوء على هياكل النانو المعدنية المختلفة، وخاصة الفضة (Ag) والذهب (Au)، لخصائصها البلازمونية التي تسهل تعزيزات كهرومغناطيسية كبيرة، مما يمكّن من الكشف عن السموم الفطرية بتركيزات منخفضة بشكل ملحوظ. تلعب مورفولوجيا هذه الجسيمات النانوية دورًا حاسمًا، حيث تظهر الأشكال غير المتجانسة مثل النجوم النانوية والهرمات النانوية تحسينات SERS متفوقة مقارنةً بنظيراتها الكروية، محققة حدود كشف محسنة بمقدار عدة أوامر من حيث الحجم.
بالإضافة إلى ذلك، تناقش الفقرة دمج الجسيمات النانوية ذات النواة والقشرة، التي تعزز الانتقائية وإعادة الإنتاجية من خلال التفاعلات الكيميائية مع المحللات المستهدفة. على سبيل المثال، أظهرت الهياكل ذات النواة والقشرة تقليل التباين في إشارات SERS، مع انحرافات معيارية نسبية (RSD) أقل بكثير من العتبة المقبولة. كما توضح الورقة تقنيات التصنيع المختلفة، بما في ذلك الأساليب من الأسفل إلى الأعلى ومن الأعلى إلى الأسفل، وتطبيقاتها في الكشف عن مجموعة من السموم الفطرية، مثل الأفلاتوكسينات وأوكراتوكسي A. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانات المواد النانوية الهندسية في تطوير مستشعرات SERS حساسة وموثوقة لرصد السموم الفطرية في سلامة الغذاء.
DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202309625
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38224595
Publication Date: 2024-01-15
Author(s): Natasha Logan et al.
Primary Topic: Mycotoxins in Agriculture and Food
Overview
The research paper discusses advancements in surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) for the on-site detection of mycotoxins in food and feed, highlighting the importance of novel nanostructured materials in enhancing sensitivity and specificity. Despite the potential demonstrated by various methodologies over the past decade, the paper notes that none have achieved the necessary validation for routine screening tests. The authors categorize existing techniques into three groups based on their development stage and practicality: Category A methods show high sensitivity but lack feasibility in real matrices; Category B methods have made strides towards commercialization but still face sample preparation challenges; and Category C methods have improved by analyzing naturally contaminated samples but often do not meet regulatory sensitivity requirements.
The paper emphasizes that the design and fabrication of SERS substrates are crucial for achieving the desired sensitivity, selectivity, and stability in real-world applications. It suggests that future efforts should focus on enhancing the commercialization potential of SERS technologies by improving substrate stability, reducing production costs, and simplifying sample preparation, rather than solely pursuing higher sensitivity. Additionally, the integration of machine learning algorithms and data fusion techniques is proposed as a means to enhance the accuracy and reliability of SERS measurements. Overall, the authors advocate for a shift towards practical applications and validation of SERS methodologies in real-life settings to facilitate their adoption in the agri-food industry.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the significance of mycotoxins, toxic secondary metabolites produced by certain molds, particularly those from the genera Aspergillus, Fusarium, and Penicillium, among others. It highlights that over 300 mycotoxins have been identified, with aflatoxins, deoxynivalenol, and ochratoxin A being of particular concern for food safety. The prevalence of mycotoxins in agricultural products is influenced by regional and climatic conditions, with climate change expected to exacerbate their occurrence and potentially introduce new toxins. The Food and Agriculture Organization estimates that approximately 25% of global grain is contaminated with mycotoxins, a figure likely underestimated due to improved detection methods.
The section also emphasizes the challenges in the rapid and accurate detection of mycotoxins in food and feed, noting that traditional analytical techniques, while sensitive, are not suitable for field use. Emerging methods, particularly spectroscopy techniques like infrared (IR) and surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS), show promise for on-site testing. However, issues such as sensitivity, sample preparation, and the need for specialized equipment hinder their widespread adoption. The review aims to evaluate recent advancements in SERS technology, including the development of nanomaterials and the incorporation of recognition elements for improved detection, while also addressing the practical challenges that remain in implementing these techniques in the agri-food industry.
Methods
The section discusses various methods for the detection of mycotoxins using advanced nanomaterials, particularly focusing on bimetallic and magnetic nanoparticles, as well as self-assembled structures. Bimetallic nanomaterials, such as Au-Ag alloys, exhibit enhanced surface-enhanced Raman scattering (SERS) signals and stability, making them suitable for applications like the ultrasensitive detection of aflatoxin B1 (AFB1) in peanut milk and ochratoxin A (OTA) in wheat and corn. For instance, Li et al. achieved a limit of detection (LOD) of 500 ng kg$^{-1}$ for AFB1 using an aptamer-modified SERS sensor, while Chen et al. reported LODs of 20 ng kg$^{-1}$ for OTA and 50 ng kg$^{-1}$ for ZEN with high recovery rates.
Magnetic nanoparticles (MNPs) also play a crucial role in enhancing detection accuracy and reproducibility by facilitating the separation of target analytes from complex samples. Zhao et al. demonstrated the dual detection of AFB1 and OTA in maize using MNPs combined with Ag@Au core-shell nanoparticles, achieving LODs between 6-30 ng kg$^{-1}$. Other studies highlighted the use of multifunctional magnetic nanostructures for AFB1 detection in peanut oil and OTA detection in red wine, with LODs as low as 4 ng kg$^{-1}$ and recovery rates ranging from 91% to 112%. The section concludes by emphasizing the challenges of reproducibility and uniformity in SERS detection, suggesting that a combination of bottom-up and top-down fabrication methods may be necessary to improve the stability and performance of nanostructured substrates.
Discussion
The discussion section of the research paper emphasizes the significance of nanofabrication in enhancing the sensitivity, selectivity, and reproducibility of Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) for mycotoxin detection. Various metallic nanostructures, particularly silver (Ag) and gold (Au), are highlighted for their plasmonic properties that facilitate substantial electromagnetic enhancements, enabling the detection of mycotoxins at remarkably low concentrations. The morphology of these nanoparticles plays a critical role, with anisotropic shapes such as nanostars and nanobipyramids demonstrating superior SERS enhancements compared to spherical counterparts, achieving detection limits improved by several orders of magnitude.
Additionally, the section discusses the integration of functionalized and core-shell nanoparticles, which enhance selectivity and reproducibility through chemical interactions with target analytes. For instance, core-shell structures have shown reduced variability in SERS signals, with relative standard deviations (RSD) well below the acceptable threshold. The paper also outlines various fabrication techniques, including bottom-up and top-down approaches, and their applications in detecting a range of mycotoxins, such as aflatoxins and ochratoxin A. Overall, the findings underscore the potential of engineered nanomaterials in developing sensitive and reliable SERS-based sensors for mycotoxin monitoring in food safety.