Forscher des Karolinska Institutet in Schweden haben einen winzigen Sensor entwickelt, der Pestizide auf Obst in nur wenigen Minuten erkennt. Die Technik, beschrieben als Proof-of-Concept in einem Artikel in der Zeitschrift Fortgeschrittene Wissenschaft, verwendet flammgespritzte Nanopartikel aus Silber, um das Signal von Chemikalien zu verstärken. Obwohl sich die Forscher noch in einem frühen Stadium befinden, hoffen die Forscher, dass diese Nanosensoren dazu beitragen könnten, Lebensmittelpestizide vor dem Verzehr aufzudecken.
„Berichte zeigen, dass bis zur Hälfte aller in der EU verkauften Früchte Pestizidrückstände enthalten, die in größeren Mengen mit Problemen für die menschliche Gesundheit in Verbindung gebracht wurden“, sagt Georgios Sotiriou, leitender Forscher an der Abteilung für Mikrobiologie, Tumor- und Zellbiologie des Karolinska-Instituts. und der korrespondierende Autor der Studie. „Allerdings sind aktuelle Techniken zum Nachweis von Pestiziden auf einzelnen Produkten vor dem Verzehr in der Praxis durch die hohen Kosten und die umständliche Herstellung ihrer Sensoren eingeschränkt. Um dies zu überwinden, haben wir kostengünstige und reproduzierbare Nanosensoren entwickelt, die zur Überwachung von Spuren von Fruchtpestiziden verwendet werden könnten zum Beispiel im Laden.“
Die neuen Nanosensoren nutzen eine Entdeckung aus den 1970er Jahren, die als oberflächenverstärkte Raman-Streuung oder SERS bekannt ist, eine leistungsstarke Sensortechnik, die die diagnostischen Signale von Biomolekülen auf Metalloberflächen um mehr als 1 Million Mal verstärken kann. Die Technologie wurde in mehreren Forschungsbereichen eingesetzt, darunter chemische und Umweltanalysen sowie zum Nachweis von Biomarkern für verschiedene Krankheiten. Hohe Produktionskosten und eine begrenzte Reproduzierbarkeit von Charge zu Charge haben jedoch bisher eine breite Anwendung in der Lebensmittelsicherheitsdiagnostik verhindert.
Flammspritztechnik
In der aktuellen Studie schufen die Forscher einen SERS-Nanosensor, indem sie Flammspritzen – eine gut etablierte und kostengünstige Technik zum Aufbringen einer metallischen Beschichtung – verwenden, um kleine Tröpfchen von Silber-Nanopartikeln auf eine Glasoberfläche aufzubringen.
„Das Flammenspray kann verwendet werden, um schnell gleichmäßige SERS-Filme über große Flächen hinweg herzustellen, wodurch eines der Haupthindernisse für die Skalierbarkeit beseitigt wird“, sagt Haipeng Li, Postdoktorand im Labor von Sotiriou und Erstautor der Studie.
Die Forscher stimmten dann den Abstand zwischen den einzelnen Silber-Nanopartikeln fein ab, um ihre Empfindlichkeit zu erhöhen. Um ihre Fähigkeit zum Nachweis von Substanzen zu testen, trugen sie eine dünne Schicht Tracer-Farbstoff auf die Sensoren auf und benutzten ein Spektrometer, um ihre molekularen Fingerabdrücke freizulegen. Die Sensoren detektierten die molekularen Signale zuverlässig und einheitlich und ihre Leistung blieb auch bei einem erneuten Test nach 2,5 Monaten erhalten, was laut den Forschern ihr Haltbarkeitspotenzial und ihre Machbarkeit für die großtechnische Produktion unterstreicht.
Gefundene Pestizide auf Äpfeln
Um die praktische Anwendbarkeit der Sensoren zu testen, kalibrierten die Forscher sie, um geringe Konzentrationen von Parathion-Ethyl zu erkennen, einem giftigen landwirtschaftlichen Insektizid, das in den meisten Ländern verboten oder eingeschränkt ist. Eine kleine Menge Parathion-Ethyl wurde auf einen Teil eines Apfels gegeben. Die Rückstände wurden später mit einem Wattestäbchen gesammelt, das in eine Lösung getaucht wurde, um die Pestizidmoleküle aufzulösen. Die Lösung wurde auf den Sensor getropft, was das Vorhandensein von Pestiziden bestätigte.
„Unsere Sensoren können Pestizidrückstände auf Apfeloberflächen in einer kurzen Zeit von fünf Minuten erkennen, ohne die Frucht zu zerstören“, sagt Haipeng Li. „Während sie in größeren Studien validiert werden müssen, bieten wir eine praktische Proof-of-Concept-Anwendung für Lebensmittelsicherheitstests im großen Maßstab vor dem Verzehr.“
Als nächstes wollen die Forscher untersuchen, ob die Nanosensoren auf andere Bereiche angewendet werden können, wie etwa die Entdeckung von Biomarkern für bestimmte Krankheiten am Point-of-Care in Umgebungen mit begrenzten Ressourcen.
SERS-Hotspot-Engineering durch Aerosol-Selbstorganisation von plasmonischen Ag-Nanoaggregaten mit einstellbarem Teilchenabstand, Fortgeschrittene Wissenschaft (2022). DOI: 10.1002/adv.202201133