Pesticiden en herbiciden zijn van cruciaal belang voor de wereldwijde voedselzekerheid, maar deze stoffen kunnen een veiligheidsrisico vormen voor mensen die ze onbewust binnenkrijgen. Om de menselijke gezondheid te beschermen zijn daarom gevoelige analysemethoden nodig om zelfs sporen van potentieel schadelijke stoffen te identificeren. Onderzoekers die verslag doen in ACS’ Nano Letters hebben nu een hightech beeldvormingsmethode ontwikkeld om verontreiniging met pesticiden bij lage niveaus te detecteren en de toepassing ervan op fruit laat zien dat de huidige voedselveiligheidspraktijken mogelijk onvoldoende zijn.
De analytische methode genaamd oppervlakteversterkte Raman spectroscopie (SERS) wint aan populariteit als een niet-destructieve methode voor het detecteren van chemicaliën uit de moderne landbouw op producten. Bij SERS worden metalen nanodeeltjes of nanosheets gebruikt om de signalen te versterken die moleculen creëren wanneer ze worden blootgesteld aan een Raman laserstraal.
De patronen die ontstaan door het metaalversterkte verstrooide licht dienen als moleculaire handtekeningen en kunnen worden gebruikt om kleine hoeveelheden van specifieke verbindingen te identificeren. Om de gevoeligheid van SERS voor de detectie van pesticiden te verbeteren, ontwierpen Dongdong Ye, Ke Zheng, Shaobo Han en collega’s een met metaal bekleed membraan dat ze over landbouwproducten konden leggen. Ze wilden het materiaal ook zo ontwikkelen dat het veelzijdig genoeg zou zijn voor een reeks andere toepassingen.
De onderzoekers begonnen met een cellulose hydrogel film, die ze uitrekten om uitgelijnde nanoschaal rimpels langs het oppervlak te vormen. Vervolgens dompelden ze de film onder in een oplossing van zilvernitraat om de groeven te coaten met SERS-verhogende zilveren nanodeeltjes. Het resulterende membraan was zeer flexibel en praktisch transparant in zichtbaar licht, essentiële eigenschappen voor de detectie van SERS-signalen.
Bij het testen van het in zilver ingebedde membraan voor voedselveiligheidstoepassingen spoten de onderzoekers de pesticiden thiram en carbendazim, alleen of samen, op appels, droogden de vruchten aan de lucht en wasten ze vervolgens om alledaagse praktijken na te bootsen. Toen ze hun membraan over de appels legden, detecteerde SERS de pesticiden op de appels, ook al waren de chemicaliën in lage concentraties aanwezig. Het team was ook in staat om de signatuur van verstrooid licht voor elk bestrijdingsmiddel op appels die bespoten waren met zowel thiram als carbendazim duidelijk op te lossen, en ook om verontreiniging met bestrijdingsmiddelen door de schil van het fruit en in de buitenste laag van het vruchtvlees te detecteren.
Deze resultaten suggereren dat wassen alleen onvoldoende zou kunnen zijn om inname van pesticiden te voorkomen en dat schillen nodig zou zijn om mogelijke verontreiniging in de schil en het buitenste vruchtvlees te verwijderen, aldus de onderzoekers. Behalve appels gebruikten ze het SERS-membraansysteem ook om pesticiden te detecteren op komkommers, garnalen, chilipoeder en rijst.