DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2026.149360
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42066470
تاريخ النشر: 2026-04-21
المؤلف: A.J. Bosman وآخرون
الموضوع الرئيسي: السموم الفطرية في الزراعة والغذاء
نظرة عامة
تقدم الأبحاث تقنية مطيافية الأشعة تحت الحمراء المعززة بالورق الانتقائية (S-PEIRS) كطريقة جديدة للكشف الحساس والانتقائي عن السموم الفطرية، وخاصة الديوكسينيفالينول (DON)، في المنتجات الغذائية. تعاني مطيافية الأشعة تحت الحمراء التقليدية من قيود في الحساسية والانتقائية للكشف عن السموم الفطرية عند المستويات القانونية ذات الصلة. تدمج طريقة S-PEIRS الكيمياء المناعية والميكروفلويديات الورقية لتركيز جزيئات السموم الفطرية بشكل مفرط على ركيزة ورقية، مما يحقق تحسينًا كبيرًا في حدود الكشف من 100 ميكروغرام•مل⁻¹ إلى 1 ميكروغرام•مل⁻¹، مما يمكّن من التحليل شبه الكمي ضمن الحد القانوني للاتحاد الأوروبي البالغ 1 ملغ•كغ⁻¹.
تشير النتائج إلى أن S-PEIRS تميز بفعالية بين عينات القمح المتوافقة وغير المتوافقة الملوثة بـ DON، بغض النظر عن الشوائب الموجودة في المصفوفة. تستخدم الطريقة شدة توقيع الجزيء C=O لـ DON للكشف المباشر، مما يظهر حساسية عالية وقوة مقارنة بالتقنيات المعتمدة مثل LC-MS/MS. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية استكشاف استراتيجيات تنقية بديلة قائمة على الورق لتعزيز القابلية للاستخدام وتقليل التكاليف، بالإضافة إلى توسيع تطبيق S-PEIRS على سموم فطرية أخرى وسلع غذائية. بشكل عام، تؤسس هذه الدراسة S-PEIRS كأداة واعدة خالية من العلامات للتعرف الجزيئي على ملوثات الغذاء، مما يمهد الطريق لتطبيقات أوسع في مراقبة سلامة الغذاء.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التهديد الكبير الذي تشكله السموم الفطرية الناتجة عن الفطريات الخيطية، وخاصة من الأجناس Aspergillus وFusarium وPenicillium، على كل من الصحة والاقتصاد. وقد وُجدت السموم الفطرية في ما يصل إلى 80% من المحاصيل الغذائية، مع انتشار ملحوظ للديوكسينيفالينول (DON) في القمح، مما يؤدي إلى خسائر اقتصادية كبيرة تقدر بـ 3 مليارات يورو بسبب التلوث الذي يتجاوز الحدود القانونية. وقد حدد الاتحاد الأوروبي مستوى أقصى (ML) لـ DON في الحبوب غير المعالجة عند 1 ملغ/كغ، مما يستلزم مراقبة صارمة لسلامة الغذاء.
تعتمد طرق الكشف الحالية عن DON، وخاصة المحمولة منها، بشكل أساسي على تقنيات الفحص الانتقائي مثل اختبارات المناعية بتدفق جانبي (LFIAs)، والتي، على الرغم من كونها سهلة الاستخدام وفعالة من حيث التكلفة، تواجه قيودًا في توفير التعرف الجزيئي المباشر بسبب إمكانية التفاعل المتبادل للأجسام المضادة. لمعالجة هذه التحديات، يقترح المؤلفون طريقة جديدة تُسمى مطيافية الأشعة تحت الحمراء المعززة بالورق (PEIRS)، والتي تجمع بين التركيز المفرط القائم على الورق والانتقائية الكيميائية المناعية لتعزيز الخصوصية والحساسية للقياسات بالأشعة تحت الحمراء. تحقق هذه الطريقة تحسينًا في الحساسية بمقدار 100 ضعف مقارنة بالكشف بالأشعة تحت الحمراء التقليدية وتمكن من الكشف الجزيئي المباشر عن DON في القمح الملوث بشكل طبيعي عند مستويات تتوافق مع لوائح الاتحاد الأوروبي، مما يعزز تحليل سلامة الغذاء.
طرق
توضح قسم “المواد والطرق” التصميم التجريبي والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يتناول اختيار المواد، بما في ذلك الكواشف والمعدات المحددة المستخدمة في التجارب، لضمان إمكانية إعادة الإنتاج. تشمل المنهجية البروتوكولات لجمع البيانات، بما في ذلك أي تحليلات إحصائية تم إجراؤها لتفسير النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم الظروف التجريبية، مثل درجة الحرارة، والمدة، وأي ضوابط تم تنفيذها للتحقق من النتائج. من خلال تقديم نظرة شاملة على الطرق، يهدف المؤلفون إلى تسهيل فهم الإطار التجريبي ودعم موثوقية النتائج التي تم الحصول عليها.
نتائج
في هذا القسم، تُعرض نتائج التحليل المتعدد المتغيرات والتقييم الإحصائي لطيف S-PEIRS. شمل المعالجة المسبقة لطيف الامتصاص تطبيع وتصحيح الخط الأساسي، تلاها تحليل المكونات الرئيسية (PCA) على الأطياف المقطوعة إلى نطاق 1701-1639 سم$^{-1}$. تم تنعيم الأحمال من PCA باستخدام فلتر Savitzky-Golay من الدرجة الثانية. بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء تحليل المشتق الثاني على الأطياف المعالجة مسبقًا، مع التركيز على نطاق 1691-1649 سم$^{-1}$، وتم تطبيق PCA على هذه الأطياف المشتقة الثانية أيضًا. تم رسم تكامل المشتق الثاني لمنطقة الكربونيل (C=O) بين 1690 و1670 سم$^{-1}$ بشكل خاص لمادة القمح المختلطة من التجارب الميدانية.
بالنسبة للتحليل الإحصائي، تم حساب متوسط المناطق المشتقة الثانية المدمجة من خمس تكرارات عبر ثلاث تجارب مستقلة. أكدت اختبار شابيرو-ويلك للتوزيع الطبيعي توزيع بيانات العينة، تلاها تحليل ANOVA أحادي الاتجاه لمقارنة المتوسطات بين مجموعات العينات المختلفة، مع تضمين اختبار ليفين لاختبار تجانس التباين. تم استخدام اختبار الفرق الأقل دلالة (LSD) بعد الاختبار لتحديد الفروق المهمة عند مستوى 0.05، مع توضيح قيم p الناتجة في مخططات الصندوق التي تقارن المناطق المشتقة الثانية المدمجة مع مستويات الديوكسينيفالينول (DON).
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون تطوير وتقييم طريقة جديدة قائمة على الورق لمطيافية الأشعة تحت الحمراء (S-PEIRS) للكشف عن الديوكسينيفالينول (DON) في عينات القمح. استخدمت الدراسة مذيبات من درجة الكروماتوغرافيا ومياه فائقة النقاء لتحضير العينات، مستخدمةً عينات قمح مختلفة بمستويات تلوث معروفة بـ DON. شمل الإعداد التحليلي مطياف ATR-FTIR، الذي تم تحسينه للحساسية من خلال ضبط معلمات مثل سرعة الماسح والدقة. تم تحديد حدود الكشف عن DON من خلال سلسلة من التجارب، مما كشف أن وضع الاهتزاز C=O عند 1683 سم⁻¹ هو الأكثر ملاءمة للتكميم، مع تحديد حدود الكشف والتكميم عند 100 ميكروغرام•مل⁻¹ (50 نانوغرام) و250 ميكروغرام•مل⁻¹ (125 نانوغرام)، على التوالي.
عزز المؤلفون أيضًا القدرة على الكشف من خلال تقنية PEIRS، التي تضمنت تركيز DON في أطراف الورق عبر العمل الشعري، مما أدى إلى تحسين نسب الإشارة إلى الضوضاء. أظهرت الدراسة أن هذه الطريقة يمكن أن تميز بفعالية بين عينات القمح التي تحتوي على تركيزات DON أعلى وأقل من الحد التنظيمي للاتحاد الأوروبي البالغ 1 ملغ•كغ⁻¹. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن S-PEIRS تقدم نهجًا واعدًا للكشف الحساس والانتقائي عن السموم الفطرية في مصفوفات الغذاء، مما يعالج القيود الحالية في تحليل السموم الفطرية ويوفر إطارًا للتطبيقات المستقبلية في مراقبة سلامة الغذاء.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2026.149360
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42066470
Publication Date: 2026-04-21
Author(s): A.J. Bosman et al.
Primary Topic: Mycotoxins in Agriculture and Food
Overview
The research presents Selective Paper-Enhanced InfraRed Spectroscopy (S-PEIRS) as a novel method for the sensitive and selective detection of mycotoxins, specifically deoxynivalenol (DON), in food products. Traditional infrared spectroscopy has limitations in sensitivity and selectivity for mycotoxin detection at legally relevant levels. The S-PEIRS approach integrates immunochemistry and paper microfluidics to hyper-concentrate mycotoxin molecules on a paper substrate, achieving a significant improvement in detection limits from 100 μg•mL⁻¹ to 1 μg•mL⁻¹, thus enabling semi-quantitative analysis within the European Union legal limit of 1 mg•kg⁻¹.
The findings indicate that S-PEIRS effectively differentiates between compliant and non-compliant wheat samples contaminated with DON, independent of matrix impurities. The method utilizes the intensity of the C=O molecular signature of DON for direct detection, demonstrating high sensitivity and robustness compared to established techniques like LC-MS/MS. Future research directions include exploring alternative paper-based purification strategies to enhance usability and reduce costs, as well as extending the application of S-PEIRS to other mycotoxins and food commodities. Overall, this study establishes S-PEIRS as a promising label-free tool for the molecular identification of food contaminants, paving the way for broader applications in food safety monitoring.
Introduction
The introduction highlights the significant threat posed by mycotoxins produced by filamentous fungi, particularly from the genera Aspergillus, Fusarium, and Penicillium, to both health and the economy. Mycotoxins have been found in up to 80% of food crops, with a notable prevalence of deoxynivalenol (DON) in wheat, leading to substantial economic losses estimated at €3 billion due to contamination exceeding legal limits. The European Union has established a maximum level (ML) for DON in unprocessed cereals at 1 mg/kg, necessitating rigorous food safety monitoring.
Current detection methods for DON, particularly portable ones, primarily rely on selective screening techniques such as lateral flow immunoassays (LFIAs), which, while user-friendly and cost-effective, face limitations in providing direct molecular identification due to potential cross-reactivity of antibodies. To address these challenges, the authors propose a novel method termed Paper-Enhanced InfraRed Spectroscopy (PEIRS), which combines paper-based hyper-concentration and immunochemical selectivity to enhance the specificity and sensitivity of infrared measurements. This method achieves a 100-fold sensitivity improvement over conventional infrared detection and enables the direct molecular detection of DON in naturally contaminated wheat at levels compliant with EU regulations, thus advancing food safety analysis.
Methods
The section on “Materials & Methods” outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the selection of materials, including specific reagents and equipment used for the experiments, ensuring reproducibility. The methodology encompasses the protocols for data collection, including any statistical analyses performed to interpret the results.
Additionally, the section may describe the experimental conditions, such as temperature, duration, and any controls implemented to validate the findings. By providing a comprehensive overview of the methods, the authors aim to facilitate understanding of the experimental framework and support the reliability of the results obtained.
Results
In this section, the results of the multivariate analysis and statistical evaluation of the S-PEIRS spectra are presented. The preprocessing of the absorbance spectra involved normalization and baseline correction, followed by a Principal Component Analysis (PCA) on the spectra cut to the range of 1701-1639 cm$^{-1}$. The loadings from the PCA were smoothed using a 2nd order Savitzky-Golay filter. Additionally, a second derivative analysis was conducted on the preprocessed spectra, focusing on the range of 1691-1649 cm$^{-1}$, with PCA applied to these second derivative spectra as well. The integration of the second derivative for the carbonyl (C=O) region between 1690 and 1670 cm$^{-1}$ was specifically plotted for the mixed field-trial wheat material.
For the statistical analysis, the integrated second derivative areas from five replicates across three independent experiments were averaged. A Shapiro-Wilk normality test confirmed the distribution of the sample data, followed by a One-way ANOVA to compare means among different sample groups, incorporating Levene’s test for homogeneity of variance. The Fisher’s Least Significant Difference (LSD) post-hoc test was employed to identify significant differences at the 0.05 level, with the resulting p-values illustrated in boxplots comparing the integrated second derivative areas against the levels of deoxynivalenol (DON).
Discussion
In this section, the authors discuss the development and evaluation of a novel paper-based infrared spectroscopy (S-PEIRS) method for detecting deoxynivalenol (DON) in wheat samples. The study utilized chromatography-grade solvents and ultrapure water for sample preparation, employing various wheat samples with known DON contamination levels. The analytical setup included an ATR-FTIR spectrometer, which was optimized for sensitivity by adjusting parameters such as scanner velocity and resolution. The detection limits for DON were determined through a series of experiments, revealing that the C=O vibrational mode at 1683 cm⁻¹ was the most suitable for quantification, with limits of detection and quantification established at 100 μg•mL⁻¹ (50 ng) and 250 μg•mL⁻¹ (125 ng), respectively.
The authors further enhanced the detection capability through the PEIRS technique, which involved concentrating DON in paper tips via capillary action, leading to improved signal-to-noise ratios. The study demonstrated that this method could effectively distinguish between wheat samples with DON concentrations above and below the EU regulatory limit of 1 mg•kg⁻¹. Overall, the findings indicate that S-PEIRS offers a promising approach for the sensitive and selective detection of mycotoxins in food matrices, addressing current limitations in mycotoxin analysis and providing a framework for future applications in food safety monitoring.