Химия и фотоника повышают безопасность пищевых продуктов

Сочетая химию с новой платформой оптических датчиков, ученые проливают свет на качество и безопасность пищевых продуктов.

Исследователи из Института физики твердого тела при Институте физических наук Хэфэя Китайской академии наук недавно разработали флуоресцентную платформу оптических датчиков для визуализации и обнаружения галловой кислоты (GA) в чае и фруктовом соке. Это позволяет более эффективно и точно контролировать безопасность пищевых продуктов и системы контроля качества.

«Галловая кислота обладает не только сильной антимутагенной, антиканцерогенной и антиоксидантной активностью, но также является важным показателем для оценки антиоксидантной способности пищи», — говорит исследователь доктор Чанлун Цзян, профессор Института Хэфэй. Он работал вместе с исследователем Фань Яном, докторантом Института физики твердого тела, а также с Лэй Паном, первым автором исследования, и некоторыми другими. GA обычно встречается в различных видах чая.

Сенсорная платформа сочетает в себе ультрафиолетовый свет и нефлуоресцентную пористую кварцевую пластину. Он был разработан с использованием координационной полимеризации — процесса взаимодействия молекул мономера с образованием цепей или трехмерных связей — иона европия (Eu3+) и 3,5-дикарбоксифенилбороновой кислоты для создания металлического европия с множественным излучением.  Каркас органического флуорофора (Eu-MOF) с флуоресцентными чувствительными зондами при одноволновом возбуждении для быстрого визуального обнаружения GA.

Химический элемент европий представляет собой мягкий металл, часто используемый при печати банкнот евро из-за его люминесцентных свойств в ультрафиолетовом свете. Дикарбоксифенилбороновая кислота представляет собой биохимическое вещество, используемое в исследованиях протеомики (белков).

По словам Цзяна, многоэмиссионный Eu-MOF демонстрирует множество заслуживающих внимания люминесцентных свойств «из-за их богатых источников излучения ионов металлов, лигандов и гостевых молекул. И они демонстрируют отличные характеристики в области быстрого обнаружения и биологической визуализации». Это преимущество перед существующими системами биологических датчиков, которые имеют некоторые ограничения, связанные с чувствительностью и стабильностью, временными ограничениями в процессе обнаружения и стоимостью.

В своей работе исследователи равномерно распределили слой суспензии Eu-MOF в канавках кварцевой пластины, а затем добавили раствор GA. Изменения флуоресцентного цвета наблюдались с помощью ультрафиолетового света в темной среде, и для флуоресцентных изображений, созданных системой, соответствующая цветовая информация о значениях красного, зеленого и синего (RGB) была получена приложением для смартфона, которое распознает и различает цвета.

«Человеческому глазу нелегко различать тонкие изменения цвета», — говорит Цзян, отмечая, что приложение для смартфона и его оцифровка информации о значениях RGB позволили исследователям преодолеть эту проблему и обнаружить GA в образцах. Соотношение RGB (красный/синий) и GA позволяют исследователям рассчитать концентрацию GA.

«Когда концентрация GA увеличивается, — добавляет Цзян, — зонды Eu-MOF демонстрируют непрерывное изменение цвета с красного на синий при возбуждении на длине волны 270 нм».

Они также исследовали влияние различных лигандов (ионов или молекул, которые связываются с центральным атомом металла) и условий синтеза на структуру и свойства люминесцентных MOF, а также взаимосвязь между люминесценцией, механизмами восприятия, морфологией, внутренним составом материала, и свойства MOF, «чтобы исследовать внутреннюю связь между материалами и люминесцентными свойствами», — говорит Цзян. «Синтез таких MOF и их композитов, которые могут реагировать по цвету во время процесса обнаружения и использоваться в среде обнаружения с несколькими сценами и несколькими путями, тем самым повышает превосходство метода обнаружения».

Следующие шаги исследователей будут включать синтез MOF белого света и гелей MOF в новой системе оптического зондирования металлического слоя. Они также будут применять технологию анализа флуоресцентной спектроскопии для разработки и исследования MOF с монохроматическим светом при одноволновом возбуждении.

«Важно разработать эффективные методы подготовки для визуализации, формирования паттернов и люминесцентных MOF на основе устройств», — говорит Цзян. «И мы можем продвигать применение люминесцентных устройств MOF и их сенсорных платформ для визуального обнаружения, контроля качества пищевых продуктов и биологической защиты от подделок».