Какие методы используются для мониторинга окружающей среды и пищевых продуктов?

Для мониторинга окружающей среды и безопасности пищевых продуктов используется широкий спектр аналитических химических методов. Некоторые из них основаны на лабораторных методах, таких как масс-спектрометрия, ГХ, ВЭЖХ и хроматография, а некоторые – технологии, которые также можно использовать на месте.

В этих локальных технологиях обычно преобладают портативные автономные датчики, биосенсоры или хемосенсоры.

Сфера применения каждого из этих методов совершенно разная. Лабораторные методы требуют обученного персонала, но они могут достигать очень низких пределов обнаружения и могут специально обнаруживать различные типы аналитов.

В случае анализа на месте это выполняется датчиками, но в целом чувствительность этих методов немного хуже, чем у технологий, используемых в лаборатории.

Каждый поставщик продуктов питания регулярно проверяет свои продукты на предмет наличия пестицидов, остатков или загрязнения вредными бактериями или химическими веществами. Изображение предоставлено: Lightspring / Shutterstock.com

Насколько важны исследования в области мониторинга окружающей среды и пищевых продуктов?

Без этого исследования мы не сможем определить, является ли наша окружающая среда чистой, безопасной и стабильной.

Тот же принцип применим к нашей пище. Если бы мы не могли контролировать нашу пищу – например, в отношении ее ингредиентов и безопасности, – у нас была бы крайне небезопасная производственная цепочка. Это потенциально может нанести вред потребителям, а также окружающей среде.

Мониторинг экологической безопасности и безопасности пищевых продуктов, как правило, является рутинным процессом. Каждый поставщик продуктов питания регулярно проверяет свои продукты на предмет пестицидов, остатков или загрязнения вредными бактериями или химическими веществами. Я не думаю, что без этих рутинных проверок наше общество могло бы выжить.

Какова основная идея исследования, которое вы представляете на Pittcon, под названием «Будущее мониторинга окружающей среды и пищевых продуктов»?

Основная идея моего выступления заключается в том, что существует постоянно растущий спрос на возможность обнаружения на месте, в полевых условиях и в качестве приложения «в точке необходимости». Эта потребность существует в тестировании безопасности пищевых продуктов, устойчивом сельском хозяйстве и обеспечении чистой и безопасной окружающей среды.

Эти области применения могут быть особенно хорошо обслужены тестированием на месте, в частности, с использованием био- и хемосенсоров. Что касается безопасности пищевых продуктов, производство продуктов питания от фермы до вилки становится все более глобальным. Появляется все больше и больше контрольных точек, на которых нам необходимо быстро оценить, безопасны ли ингредиенты или целые продукты / продукты.

В условиях постоянно растущей мировой торговли нам необходимо увеличить время хранения продуктов питания. Мы должны гарантировать, что даже если пища не хранится в надлежащих условиях, ее можно будет есть.

Наши исследования сосредоточены на разработке датчиков, которые могут служить именно этой цели, позволяя пользователям быстро и недорого определять, безопасна ли пища или окружающая среда чиста и защищена.

Взятие образцов и их возвращение в лабораторию по-прежнему является широко используемым подходом, но он не является устойчивым, учитывая все более сложные и чувствительные ко времени требования к анализу, которые мы наблюдаем.

Антье Баымнер, интервью 2, AZoNetwork на Vimeo.

На протяжении всей своей карьеры вы сосредоточили большую часть своих исследований на биосенсорах. Что такое биосенсоры и как они действуют как механизм мониторинга?

Биосенсоры лучше всего понять, если учесть то, с чем вы, возможно, знакомы – датчик глюкозы. Люди с диабетом будут использовать биосенсоры в качестве диагностического прибора для регулярного измерения уровня глюкозы в крови.

Другой очень типичный пример – это домашний тест на беременность, который может быстро определить, беременна ли женщина.

Биосенсор состоит из очень простого считывающего устройства, которое может специфично и чувствительно определять сигнал, который вырабатывается биологическим распознающим элементом, таким как антитело, фермент или молекула ДНК.

В случае глюкозы это будет электрод, который измеряет посредством переноса электрона реакцию между ферментом и глюкозой, тогда как в случае тестов на беременность это визуальное считывание, вызванное связыванием сигнального агента с гормоном беременности. .

Люди с диабетом будут использовать биосенсоры в качестве диагностического прибора для регулярного измерения уровня глюкозы в крови. Изображение предоставлено: Arturs Budkevics / Shutterstock.com

Биосенсоры, которые мы разрабатываем, делают то же самое, но вместо того, чтобы искать глюкозу или гормон беременности, мы ищем патогены, аллергены, загрязнители окружающей среды, пестициды и т. Д.

Во всех случаях мы ищем элементы биологического распознавания, которые могут специфически связывать аналит, такие как сальмонелла в мясе гамбургеров. Затем мы используем технологию считывания, которая позволяет нам делать это на ферме, в поле, дома или в кабинете врача, а не только в централизованной лаборатории.

Сила этой технологии заключается в сочетании этих двух различных элементов.

Этот подход работает хорошо, потому что биологическая молекула, которую мы используем для биопознания, создается в сложной среде. Ферменты, молекулы ДНК и антитела существуют и работают в нашем собственном теле, в крови, в моче и слюне.

Несмотря на эту сложную среду, они все еще могут распознавать аналит, будучи по существу слепыми к молекулам, которые окружают интересующий аналит. Эта превосходная способность распознавать целевой аналит означает, что биосенсоры могут быть специфическими и мощными устройствами обнаружения на месте.

Какие приложения вы предполагаете для биосенсорной технологии обнаружения и мониторинга?

Обычно мы ищем патогенные организмы, присутствующие в окружающей среде или в продуктах питания. Что касается аналитов, мы ищем патоген либо на основе присутствия самого патогена, либо на основе конкретного токсина, который он продуцирует, либо на основе нуклеиновой кислоты, содержащейся в нем.

Эти патогены могут присутствовать как в продуктах питания, так и в окружающей среде, и наши технологии скрещиваются друг с другом, потому что мы ищем аналогичный аналит в двух разных условиях.

Очевидно, что патогенные организмы очень важны, но для обеспечения безопасности пищевых продуктов нам также необходимо идентифицировать пищевые аллергены. Нам необходимо обнаружить остатки, которые могли накопиться в течение вегетационного периода, например, пестициды, удобрения или любые типы загрязняющих веществ, которые могли быть внесены в цепочку обработки пищевых продуктов.

Что касается мониторинга окружающей среды, список потенциальных загрязнителей почти бесконечен. В нашем развитом мире большое количество химикатов, используемых в производстве и сельском хозяйстве, попадает в окружающую среду. Микропластик заменил пестициды как наиболее обсуждаемый объект для анализа.

Микропластики заменили пестициды как наиболее обсуждаемую цель для анализа при мониторинге окружающей среды. Изображение предоставлено: Дэвид Перейрас / Shutterstock.com

Ваши исследования также охватывают не только аналитическую химию, но и другие предметы, такие как биохимия и молекулярные науки о жизни. Каким образом использование различных источников знаний способствует вашей работе?

Область биосенсоров по своей сути междисциплинарна. Нам нужно понимать науки о жизни, откуда берутся наши элементы биопознания.

Нам также необходимо понимать физические науки, откуда берутся наши преобразователи, и химию, которая будет поддерживать создание этих датчиков, будь то иммобилизация или взаимодействие нашего элемента биопознания и преобразователя с внешним миром.

Наконец, нам нужно понимать конкретные интерфейсы, чтобы знать, что происходит в биологическом растворе.

Все эти области должны работать вместе, чтобы иметь возможность разрабатывать новые биосенсоры, заставлять их функционировать и обеспечивать их соответствие интересующим нас областям применения.

Иногда мы можем управлять этими областями самостоятельно, а иногда нам необходимо сотрудничать с экспертами в их соответствующих областях, используя лучшие доступные технологии для решения конкретной аналитической задачи.

В чем разница между биосенсором и хемосенсором в контексте мониторинга окружающей среды и пищевых продуктов?

Биосенсор содержит элемент биологического распознавания, а хемосенсор содержит элемент химического распознавания. Оба имеют разные особенности, но оба эти устройства используются для мониторинга окружающей среды и безопасности пищевых продуктов.

Химические сенсоры могут содержать, например, полимер с молекулярным отпечатком, который пытается связываться с аналитом так же, как и антитело, или использовать небольшие ионофоры в качестве ионоселективных электродов.

Одним из преимуществ хемосенсора является то, что он не содержит хрупких биологических молекул. Скорее, они содержат соединения химического происхождения, которые не денатурируют и не теряют способность распознавания в экстремальных условиях. Однако неотъемлемым преимуществом молекул биологического распознавания является их специфичность, которую редко можно сопоставить с химическим имитатором.

Важно изучить конкретную аналитическую задачу и определить, является ли стабильность или специфичность более важными, или определенный аналит может распознаваться только определенным типом распознающей молекулы.

Что ждет вас и ваши исследования по мониторингу окружающей среды и пищевых продуктов в будущем?

Мы готовим наши датчики к интеграции и подключению к более широкой сети других датчиков. Интернет вещей и Индустрия 4.0 уже стали модными словечками во многих областях, особенно в обрабатывающей и химической промышленности.

Многие отрасли готовы подключать разные системы без участия человека, и датчики играют в этом ключевую роль. Если мы хотим принимать эффективные решения, мы должны уметь идентифицировать и определять, что происходит на месте.

Частью нашего исследования является изучение сенсорных технологий, готовых к подключению к более широкой сети – Интернету вещей.

Датчики должны быть более автономными и иметь возможность беспроводного подключения к спутникам или облакам данных. Им также необходимо предоставлять аналитические данные без участия человека.

Мы ищем технологии, которые обеспечивают очень высокий сигнал по сравнению с очень низким фоновым шумом, потому что четкое различие между сигналами делает возможным автоматизированное решение, а не решение суда.

Как химики и биоинженеры, мы можем работать над этой частью уравнения и искать коллег, которые затем могут убедиться, что наши датчики могут быть подключены к глобальной сети.

Датчики должны быть более автономными и иметь возможность беспроводного подключения к спутникам или облакам данных. Изображение предоставлено: metamorworks / Shutterstock.com

От привычек питания до воздействия на окружающую среду наше общество и окружающий нас мир тесно взаимосвязаны. Каким вы видите направление развития этих областей в будущем применительно к нашей повседневной жизни?

Когда мы говорим о безопасности пищевых продуктов, мы также должны говорить о продовольственной безопасности и обеспечении того, чтобы у нас было достаточно еды.

Именно здесь биосенсоры или химиосенсоры могут играть важную роль, помогая нам наладить устойчивое производство пищевых продуктов и избегать пищевых отходов, позволяя нам исследовать, безопасна ли еда для потребления и не испорчена, а не просто смотреть на контаминанты или патогены .

Мы также можем разработать датчики для приложений, связанных с производством продуктов питания, чтобы обеспечить доступность большего количества продуктов питания для растущего числа людей, живущих в нашем мире, и гарантировать, что мы тратим гораздо меньше продуктов питания.

Один из примеров включает датчики, встроенные в упаковку пищевых продуктов, так что вместо оценки даты, до которой пища является безопасной для употребления, мы фактически имеем прямое считывание, которое сообщает потребителю, что пища все еще безопасна для употребления. Датчик может указывать, когда упаковка с продуктами питания должна быть утилизирована.

Реализация этих типов сенсорных возможностей может сократить количество пищевых отходов.

Как Pittcon влияет на сферу окружающей среды и науки о продуктах питания?

Компания Pittcon с годами выросла и внедрила технологии аналитической химии для мониторинга окружающей среды и безопасности пищевых продуктов.

Я думаю, что важно обсуждать экологию и науку о пищевых продуктах среди ученых-химиков-аналитиков, глядя на то, как идут исследования в этих областях, где есть спрос на новые технологии и где есть препятствия, которые необходимо преодолеть.

Конференция, подобная Pittcon, обеспечивает идеальные условия для этого, потому что здесь собирается так много экспертов из самых разных областей. Такой уровень сотрудничества нужен нам, если мы хотим решать будущие задачи в области мониторинга окружающей среды и безопасности пищевых продуктов.

Почему события, подобные Pittcon, важны для научного сообщества сейчас как никогда раньше?

Чтобы решить сложные проблемы, с которыми сталкивается наше общество, нам необходимо рассматривать их с разных точек зрения и объединять экспертов из многих разных областей, потому что одна область не могла этого сделать.

Pittcon собирает людей из самых разных слоев общества, способствуя обмену информацией, дискурсу и научным дискуссиям, которые помогают нам думать дальше и развивать лучшие идеи для будущих исследований.

О профессоре Антье Бауэмнер

С августа 2013 года профессор Антье Й. Баымнер возглавляет Институт аналитической химии, химио- и биосенсоров при Университете Регенсбурга в Германии. Она приехала в Регенсбург из Корнельского университета, где до сих пор является адъюнкт-профессором кафедры биологической инженерии и дипломированным специалистом по пищевой науке и технологиям, а также по биомедицинской инженерии.

Она является президентом Международной ассоциации аналитической химии окружающей среды (IAEAC) и редактором журнала Springer Nature «Аналитическая и биоаналитическая химия», ABC

Наука и инженерия, исследования и преподавание всегда были в центре ее профессиональной жизни, поскольку ей нравится работать с невероятно умными людьми в нашем широком научном сообществе, учиться у них. Разработка аналитических (микро) систем и биосенсоров, которые решают множество проблем, возникающих в борьбе с болезнями и загрязнением, является движущей силой ее научной работы. Вместе со своей замечательной и энергичной международной исследовательской группой она находит новые стратегии, новые материалы и новые концепции восприятия для обнаружения патогенов, токсинов и клинически значимых биомаркеров, особенно в связи с тем, что безопасность пищевых продуктов, мониторинг окружающей среды и клиническая диагностика в условиях ограниченных ресурсов требуют значительных усилий. наше внимание сегодня к созданию здоровых и устойчивых обществ.