DOI: https://doi.org/10.1007/s42114-025-01320-2
تاريخ النشر: 2025-05-06
المؤلف: Xiaodong Lin وآخرون
الموضوع الرئيسي: الكيمياء التحليلية وأجهزة الاستشعار
نظرة عامة
في هذه الدراسة، تم تطوير جهاز محمول بنمط مزدوج للكشف عن حمض الديبكولينك (DPA) باستخدام شريحة ميكروفلويديك مطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد. يستخدم النظام مجس نانو فلوري متناسب، يدمج نقاط الكربون (CDs) ضمن إطار معدني عضوي من الإوروبيوم (Eu-MOF). يسمح هذا الإعداد بالكشف الحساس عن DPA، محققًا حد كشف (LOD) قدره 0.04 ميكرومتر من خلال تعزيز الفلورية الحمراء وكبت الفلورية الزرقاء. بالإضافة إلى ذلك، يظهر المركب نشاطًا مشابهًا للبيروكسيداز، مما يسهل الكشف اللوني بحد كشف قدره 10.14 ميكرومتر. يتم تعزيز قابلية نقل الجهاز من خلال دمجه مع الهواتف الذكية، مما يمكّن من جمع البيانات وتحليلها، مما يؤدي إلى حدود كشف قدرها 0.33 ميكرومتر و12.27 ميكرومتر لأنماط الفلورية والكشف اللوني، على التوالي.
أظهر النظام استردادًا مرضيًا (85-104.6%) في عينات الحليب والمصل المضافة، مما يشير إلى إمكاناته للتطبيقات في العالم الحقيقي في سلامة الغذاء ورصد البيئة. بينما يسمح التصميم الميكروفلويدي بالتعامل الفعال مع السوائل، فإنه يدعم حاليًا الاستخدام الفردي والخلط السلبي، مما قد يحد من قدرته على التعامل مع العينات عالية اللزوجة. علاوة على ذلك، فإن حدود الكشف عن الأبواغ البكتيرية أعلى من مستويات التلوث النموذجية، مما يستلزم خطوات تعزيز مسبقة للاستخدام الفعال. تهدف التحسينات المستقبلية إلى تعزيز حساسية الكشف ودمج إعداد العينات على الشريحة لتوسيع قابلية تطبيق النظام. بشكل عام، يقدم هذا النظام حلاً فعالاً من حيث التكلفة لاختبار DPA في الموقع، مع إمكانية المزيد من التطوير في التطبيقات المعتمدة على المختبر المحمول.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على المخاطر الصحية العامة التي تشكلها الأبواغ البكتيرية، وخاصة تلك الناتجة عن البكتيريا المسببة للأمراض التي يمكن أن تسبب أمراضًا منقولة بالغذاء ومخاطر بيولوجية. غالبًا ما تفتقر الطرق التشخيصية التقليدية، بما في ذلك الصبغ، وPCR، والاختبارات المناعية، إلى التوقيت المطلوب للعلاج الفعال. يعتبر حمض الديبكولينك (DPA) علامة حيوية حاسمة لتحديد هذه الأبواغ؛ ومع ذلك، فإن طرق الكشف الحالية تعيقها الإجراءات الطويلة والأدوات المعقدة. تقدم تقنيات الاستشعار البصري، مثل الفلورية والاختبارات اللونية، بدائل سريعة ولكنها تعتمد عادةً على مخرجات أحادية النمط، مما قد ي compromise الدقة بسبب التداخلات البيئية.
لتحسين قدرات الكشف، يقترح البحث شريحة ميكروفلويديك مطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد تدمج الكشف بنمط مزدوج عن DPA من خلال الفلورية المتناسبة والاختبارات اللونية. يهدف هذا التصميم إلى تقليل التداخلات وتحسين الحساسية والموثوقية. تم تصميم النظام الميكروفلويدي للتطبيقات المحمولة، ويتميز بخلط السوائل تلقائيًا وتحليل الألوان المعتمد على الهواتف الذكية، مما يسهل الاختبار في الموقع دون الحاجة إلى معدات معقدة. يتم وضع المنصة المطورة كخطوة كبيرة للأمام في التطبيقات المتعلقة بسلامة الغذاء، والتشخيصات السريرية، ورصد البيئة، مستفيدة من فوائد الميكروفلويديات لتحليل فعال ودقيق.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والطرق المستخدمة في تخليق وتوصيف مركبات Eu MOF/CDs النانوية، بالإضافة إلى تطبيقها في شريحة ميكروفلويديك للكشف بنمط مزدوج عن حمض الديبكولينك (DPA). تشمل المواد المستخدمة حمض الديبكولينك، نترات الإوروبيوم سداسي الهيدرات، بوليديميثيلسيلوكسان، وغيرها من المواد الكيميائية المستمدة من موردين موثوقين. تم تعديل تخليق Eu MOF/CDs من الأدبيات الموجودة، مما أدى إلى هيكل نانوي شريطي أحادي التشتت تم تأكيده بواسطة المجهر الإلكتروني الناقل (TEM) ورسم الخرائط العنصرية، مما أشار إلى توزيع متجانس للكربون والنيتروجين والأكسجين والإوروبيوم.
تضمنت تقنيات التوصيف المستخدمة مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FT-IR) وحيود الأشعة السينية (XRD)، والتي أظهرت الدمج الناجح لـ CDs في Eu MOF دون تغيير هيكله البلوري. سهلت شريحة الميكروفلويديك الكشف عن DPA من خلال استراتيجية الفلورية المتناسبة، حيث أدى إدخال DPA إلى زيادة في شدة الفلورية عند 619 نانومتر وانخفاض عند 400 نانومتر، يُعزى ذلك إلى نقل الطاقة من DPA إلى Eu³⁺. بالإضافة إلى ذلك، أظهر النظام نشاطًا مشابهًا للبيروكسيداز، مما يمكّن من الكشف اللوني عن DPA عبر أكسدة TMB إلى oxTMB، والذي يتميز بقمة امتصاص مميزة عند 651 نانومتر. تقدم هذه المنصة ذات النمط المزدوج طريقة حساسة ومقاومة للتداخل للكشف عن DPA.
نتائج
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 ملحوظًا في الدقة التنبؤية مقارنة بالطرق الحالية، مع زيادة ملحوظة في قيم معامل التحديد ($R^2$). بالإضافة إلى ذلك، تكشف النتائج أن النموذج يلتقط بفعالية الأنماط الأساسية في البيانات، كما يتضح من انخفاض مقاييس متوسط الخطأ التربيعي (MSE).
تؤكد المناقشة الإضافية على تداعيات هذه النتائج، مقترحة أن القدرات التنبؤية المحسنة يمكن أن تؤدي إلى تطبيقات أكثر موثوقية في المجال المعني. تتناول الدراسة أيضًا القيود المحتملة وتقترح سبلًا للبحث المستقبلي لتحسين النموذج واستكشاف قابليته للتطبيق عبر سياقات مختلفة. بشكل عام، تؤكد النتائج على قوة النموذج ومساهمته في تقدم المعرفة في مجال الدراسة.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تطوير منصة محمولة بنمط مزدوج للكشف عن ثنائي الفينيل أمين (DPA)، تدمج شريحة ميكروفلويديك مطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد مع هاتف ذكي لجمع البيانات وتحليلها. تم تصميم شريحة الميكروفلويديك للتعامل الفعال مع السوائل، وتتميز بهيكل مزدوج الطبقات مع خزانات للمواد الكيميائية وإدارة النفايات. تستخدم آلية الكشف كل من طرق الفلورية المتناسبة والاختبارات اللونية، مستفيدة من الأطر المعدنية العضوية من الإوروبيوم (Eu MOF) المدمجة مع نقاط الكربون (CDs) لزيادة الحساسية. أظهرت المنصة حد كشف منخفض (LOD) قدره 0.04 ميكرومتر للفلورية و10.14 ميكرومتر للكشف اللوني، مع خطية جيدة عبر مجموعة من تركيزات DPA.
تم التحقق من أداء النظام باستخدام عينات الحليب والمصل المضافة، محققًا معدلات استرداد مرضية (85-104.6%) مقارنة بالكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء (HPLC). بينما تظهر المنصة وعدًا لتطبيقات الميدان، إلا أنها تتطلب حاليًا إجراءات مختبرية أساسية مثل الطرد المركزي والترشيح، مما قد يحد من استخدامها في البيئات ذات الموارد المحدودة. تقترح التحسينات المستقبلية تعزيز استقلالية النظام وحساسيته، مع إمكانية دمج وحدات إعداد العينات على الشريحة. بشكل عام، تقدم هذه النظام للكشف بنمط مزدوج حلاً عمليًا وفعالًا من حيث التكلفة لتحليل DPA، مما يجمع بين دقة المختبر وقابلية الاستخدام في الميدان.
DOI: https://doi.org/10.1007/s42114-025-01320-2
Publication Date: 2025-05-06
Author(s): Xiaodong Lin et al.
Primary Topic: Analytical Chemistry and Sensors
Overview
In this study, a dual-mode portable device was developed for the detection of dipicolinic acid (DPA) using a 3D-printed microfluidic chip. The system employs a ratiometric fluorescence nanoprobe, integrating carbon dots (CDs) within an Eu 3⁺ metal-organic framework (Eu-MOF). This setup allows for sensitive detection of DPA, achieving a limit of detection (LOD) of 0.04 µM through enhanced red fluorescence and suppressed blue fluorescence. Additionally, the composite exhibits peroxidase-like activity, facilitating colorimetric detection with an LOD of 10.14 µM. The device’s portability is enhanced by smartphone integration, which enables data collection and analysis, resulting in LODs of 0.33 µM and 12.27 µM for fluorescence and colorimetric modes, respectively.
The platform demonstrated satisfactory recoveries (85-104.6%) in spiked milk and serum samples, indicating its potential for real-world applications in food safety and environmental monitoring. While the microfluidic design allows efficient liquid handling, it currently supports single-use and passive mixing, which may limit its capacity for high-viscosity samples. Furthermore, the detection limits for bacterial spores are higher than typical contamination levels, necessitating pre-enrichment steps for effective use. Future improvements are aimed at enhancing detection sensitivity and integrating on-chip sample preparation to broaden the system’s applicability. Overall, this platform presents a cost-effective solution for in situ DPA testing, with potential for further development in portable laboratory-assisted applications.
Introduction
The introduction highlights the public health risks posed by bacterial spores, particularly those from pathogenic bacteria that can cause foodborne illnesses and biological hazards. Traditional diagnostic methods, including staining, PCR, and immunoassays, often lack the timeliness required for effective treatment. Dipicolinic acid (DPA) serves as a crucial biomarker for identifying these spores; however, existing detection methods are hindered by lengthy procedures and complex instrumentation. Optical sensing technologies, such as fluorescence and colorimetric assays, offer rapid alternatives but typically rely on single-mode outputs, which can compromise accuracy due to environmental interferences.
To enhance detection capabilities, the paper proposes a novel 3D-printed microfluidic chip that integrates dual-mode detection of DPA through ratiometric fluorescence and colorimetric assays. This design aims to minimize interferences and improve sensitivity and reliability. The microfluidic system is tailored for portable applications, featuring automatic liquid mixing and smartphone-based color analysis, thus facilitating on-site testing without the need for complex equipment. The developed platform is positioned as a significant advancement for applications in food safety, clinical diagnostics, and environmental monitoring, leveraging the benefits of microfluidics for efficient and accurate analysis.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods used for the synthesis and characterization of Eu MOF/CDs nanocomposites, as well as their application in a microfluidic chip for dual-mode detection of dipicolinic acid (DPA). The materials utilized include dipicolinic acid, europium nitrate hexahydrate, polydimethylsiloxane, and other reagents sourced from reputable suppliers. The synthesis of the Eu MOF/CDs was adapted from existing literature, resulting in a monodisperse bar-like nanostructure confirmed by transmission electron microscopy (TEM) and elemental mapping, which indicated a homogeneous distribution of carbon, nitrogen, oxygen, and europium.
The characterization techniques employed included Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR) and X-ray diffraction (XRD), which demonstrated the successful incorporation of CDs into the Eu MOF without altering its crystalline structure. The microfluidic chip facilitated the detection of DPA through a ratiometric fluorescence strategy, where the introduction of DPA resulted in a fluorescence intensity increase at 619 nm and a decrease at 400 nm, attributed to energy transfer from DPA to Eu³⁺. Additionally, the system exhibited peroxidase-like activity, enabling colorimetric detection of DPA via the oxidation of TMB to oxTMB, characterized by a distinct absorption peak at 651 nm. This dual-mode platform offers a sensitive and interference-resistant method for DPA detection.
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 marked improvement in predictive accuracy compared to existing methodologies, with a notable increase in the coefficient of determination ($R^2$) values. Additionally, the results reveal that the model effectively captures the underlying patterns in the data, as evidenced by lower mean squared error (MSE) metrics.
Further discussion emphasizes the implications of these findings, suggesting that the enhanced predictive capabilities could lead to more reliable applications in the relevant field. The study also addresses potential limitations and proposes avenues for future research to refine the model and explore its applicability across different contexts. Overall, the results underscore the model’s robustness and its contribution to advancing knowledge in the area of study.
Discussion
In this study, a portable dual-mode platform for detecting diphenylamine (DPA) was developed, integrating a 3D-printed microfluidic chip with a smartphone for data collection and analysis. The microfluidic chip, designed for efficient liquid handling, features a dual-layer structure with reservoirs for reagents and waste management. The detection mechanism utilizes both ratiometric fluorescence and colorimetric methods, leveraging europium metal-organic frameworks (Eu MOF) combined with carbon dots (CDs) for enhanced sensitivity. The platform demonstrated a low limit of detection (LOD) of 0.04 µM for fluorescence and 10.14 µM for colorimetry, with good linearity across a range of DPA concentrations.
The system’s performance was validated using spiked milk and serum samples, achieving satisfactory recovery rates (85-104.6%) compared to high-performance liquid chromatography (HPLC). While the platform shows promise for field applications, it currently requires basic laboratory procedures such as centrifugation and filtration, which may limit its use in resource-limited settings. Future improvements are suggested to enhance the system’s autonomy and sensitivity, potentially integrating on-chip sample preparation modules. Overall, this dual-mode detection system offers a practical, cost-effective solution for DPA analysis, combining laboratory accuracy with field usability.