08.06.2022 - Karolinska Institutet

Nanosensor spürt Pestizide auf Obst in Minutenschnelle auf

Die neuen Nanosensoren nutzen eine Entdeckung aus den 1970er Jahren

Forscher des Karolinska Institutet in Schweden haben einen winzigen Sensor entwickelt, der Pestizide auf Früchten in nur wenigen Minuten aufspüren kann. Die Technik, die in der Fachzeitschrift Advanced Science als Proof-of-Concept beschrieben wird, nutzt mit Flammen besprühte Nanopartikel aus Silber, um das Signal von Chemikalien zu verstärken. Die Forscher hoffen, dass diese Nanosensoren, die sich noch in einem frühen Stadium befinden, dazu beitragen könnten, Pestizide in Lebensmitteln vor dem Verzehr aufzudecken.

"Aus Berichten geht hervor, dass bis zur Hälfte aller in der EU verkauften Früchte Pestizidrückstände enthalten, die in größeren Mengen mit Gesundheitsproblemen in Verbindung gebracht werden", sagt Georgios Sotiriou, leitender Forscher in der Abteilung für Mikrobiologie, Tumor- und Zellbiologie am Karolinska Institutet und Erstautor der Studie. "Die derzeitigen Techniken zum Nachweis von Pestiziden auf einzelnen Produkten vor dem Verzehr werden in der Praxis jedoch durch die hohen Kosten und die umständliche Herstellung der Sensoren eingeschränkt. Um dies zu überwinden, haben wir kostengünstige und reproduzierbare Nanosensoren entwickelt, die zur Überwachung von Pestizidspuren auf Früchten, z. B. im Supermarkt, verwendet werden können.

Die neuen Nanosensoren nutzen eine Entdeckung aus den 1970er Jahren, die so genannte oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS), eine leistungsstarke Sensortechnik, die die diagnostischen Signale von Biomolekülen auf Metalloberflächen um mehr als das 1-Millionenfache erhöhen kann. Die Technologie wurde in verschiedenen Forschungsbereichen eingesetzt, u. a. in der Chemie- und Umweltanalytik sowie zum Nachweis von Biomarkern für verschiedene Krankheiten. Die hohen Produktionskosten und die begrenzte Reproduzierbarkeit von Charge zu Charge haben jedoch bisher eine breite Anwendung in der Diagnostik der Lebensmittelsicherheit verhindert.

Flammensprühtechnik

In der aktuellen Studie schufen die Forscher einen SERS-Nanosensor, indem sie Flammenspray - eine etablierte und kostengünstige Technik zur Aufbringung von Metallbeschichtungen - einsetzten, um kleine Tröpfchen mit Silber-Nanopartikeln auf eine Glasoberfläche aufzubringen.

"Mit dem Flammenspray lassen sich schnell gleichmäßige SERS-Schichten auf großen Flächen erzeugen, wodurch eines der Haupthindernisse für die Skalierbarkeit beseitigt wird", sagt Haipeng Li, Postdoktorand in Sotirious Labor und Erstautor der Studie.

Die Forscher stimmten dann den Abstand zwischen den einzelnen Silbernanopartikeln ab, um ihre Empfindlichkeit zu erhöhen. Um die Fähigkeit der Sensoren zur Erkennung von Substanzen zu testen, trugen sie eine dünne Schicht Tracer-Farbstoff auf die Sensoren auf und nutzten ein Spektrometer, um ihre molekularen Fingerabdrücke aufzudecken. Die Sensoren detektierten die molekularen Signale zuverlässig und gleichmäßig, und ihre Leistung blieb auch bei einem erneuten Test nach 2,5 Monaten erhalten, was laut den Forschern ihr Potenzial für eine lange Haltbarkeit und die Machbarkeit einer groß angelegten Produktion unterstreicht.

Erkannte Pestizide auf Äpfeln

Um die praktische Anwendbarkeit der Sensoren zu testen, kalibrierten die Forscher sie so, dass sie geringe Konzentrationen von Parathion-Ethyl, einem giftigen landwirtschaftlichen Insektizid, das in den meisten Ländern verboten oder eingeschränkt ist, erkennen. Eine kleine Menge Parathion-Ethyl wurde auf einen Teil eines Apfels aufgebracht. Die Rückstände wurden später mit einem Wattestäbchen aufgenommen, das in eine Lösung getaucht wurde, um die Pestizidmoleküle aufzulösen. Die Lösung wurde auf den Sensor getropft, der das Vorhandensein von Pestiziden bestätigte.

"Unsere Sensoren können Pestizidrückstände auf der Oberfläche von Äpfeln in einer kurzen Zeit von fünf Minuten nachweisen, ohne die Früchte zu zerstören", sagt Haipeng Li. "Sie müssen zwar noch in größeren Studien validiert werden, aber wir bieten einen praktischen Anwendungsnachweis für die Überprüfung der Lebensmittelsicherheit vor dem Verzehr in großem Maßstab."

Als Nächstes wollen die Forscher untersuchen, ob die Nanosensoren auch in anderen Bereichen eingesetzt werden können, z. B. bei der Entdeckung von Biomarkern für bestimmte Krankheiten am Point-of-Care in ressourcenbeschränkten Gebieten.

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