Neue Nanopartikel mit persistenter Lumineszenz ermöglichen schnellen Vor-Ort-Nachweis von Wasserstoffperoxid

Eine neue optische Sonde auf Basis von Nanopartikeln mit persistenter Lumineszenz, entwickelt von Forschern der Chengdu University und der Hefei University of Technology, bietet eine bahnbrechende Lösung für den Nachweis von Wasserstoffperoxid (H₂O₂) mit hoher Empfindlichkeit und ohne Autofluoreszenzstörungen. Die Technologie, detailliert in einer in Food Quality and Safety veröffentlichten Studie (DOI: 10.1093/fqsafe/fyaf040), bietet sowohl instrumentenbasierte quantitative Detektion als auch direkte visuelle Erkennung mit bloßem Auge, was sie besonders wertvoll für schnelle Vor-Ort-Überwachung in ressourcenbeschränkten Umgebungen macht.

Wasserstoffperoxid dient als wichtiges Desinfektions- und Oxidationsmittel in zahlreichen Industrien einschließlich Lebensmittelverarbeitung, Pharmazie und Verbraucherprodukten. Übermäßige Rückstände stellen jedoch erhebliche Gesundheits- und Sicherheitsbedenken dar, da sie Nährstoffe abbauen, Gewebe schädigen, gastrointestinale Reizungen verursachen und das Krebsrisiko erhöhen können. Herkömmliche Nachweismethoden wie elektrochemische Sensoren, Fluoreszenzsonden und enzymbasierte Assays erfordern oft spezielle Ausrüstung, kontinuierliche Anregung oder komplexe Probenvorbereitung, während Hintergrund-Autofluoreszenz in Lebensmittel- und biologischen Proben häufig die Signalklarheit und Genauigkeit beeinträchtigt.

Die neu entwickelte PLNPs@MnO₂-Sonde besteht aus nahinfraroten ZnGa₂O₄:Cr-Nanopartikeln mit persistenter Lumineszenz, die gleichmäßig mit einer Mangandioxid-Schicht beschichtet sind. Im Ausgangszustand löscht die MnO₂-Schicht die Lumineszenz durch interfacialen Elektronentransfer effektiv ab, wodurch ein abgeschaltetes Signal entsteht. Bei Exposition gegenüber H₂O₂ unter leicht sauren Bedingungen reduziert sich MnO₂ schnell zu Mn²⁺, unterbricht den Löschweg und stellt sofort die helle rote persistente Lumineszenz wieder her. Dieser Mechanismus erreicht eine Nachweisgrenze von 0,079 μmol/L, was deutlich empfindlicher ist als viele herkömmliche Fluoreszenz- oder elektrochemische Sensoren.

Die Technologie zeigt außergewöhnliche Leistungsmerkmale, darunter hohe Selektivität gegenüber gängigen Ionen, Zuckern, Aminosäuren und Proteinen sowie ausgezeichnete Reproduzierbarkeit und Chargenstabilität. Tests in realen Anwendungen einschließlich Flaschenwasser, Milch und Kontaktlinsenlösungen ergaben Wiederfindungsraten zwischen 90,56 % und 109,73 %, was die Zuverlässigkeit über verschiedene Probenmatrizen hinweg bestätigt. Die wiederhergestellte rote Lumineszenz kann unter UV-Beleuchtung visuell erkannt werden, was den Nachweis auf flachen Platten oder Papiersubstraten ohne aufwändige Instrumente ermöglicht.

Die Innovation adressiert langjährige Einschränkungen in der optischen Sensorik, indem sie Autofluoreszenzstörungen eliminiert, die traditionell die Nachweisgenauigkeit in komplexen Lebensmittel- und biologischen Matrizen beeinträchtigt haben. Durch die Nutzung von persistenter Lumineszenz anstelle konventioneller Fluoreszenz erzeugt die Methode saubere, kontrastreiche Signale ohne kontinuierliche Anregung. Diese autofluoreszenzfreie Nachweisstrategie bietet praktische Vorteile für die Lebensmittelsicherheitsüberwachung, Umweltinspektionen und biomedizinische Assays, mit potenziellen zukünftigen Anwendungen einschließlich Integration in intelligente Verpackungen, tragbare chemische Sensoren und Echtzeit-Kontaminationswarnsysteme. Die Originalforschung ist unter https://doi.org/10.1093/fqsafe/fyaf040 zugänglich.

Dieser technologische Fortschritt stellt einen bedeutenden Schritt zur Unterstützung sichererer Verarbeitungsumgebungen und verbesserter Qualitätssicherung von Verbraucherprodukten dar. Durch die Vereinfachung und Beschleunigung des H₂O₂-Nachweises adressiert die Plattform kritische Bedürfnisse in zahlreichen Sektoren, in denen schnelle, zuverlässige Überwachung für den öffentlichen Gesundheitsschutz und die Qualitätskontrolle essentiell ist. Die Fähigkeit, empfindliche Detektion ohne Laborausrüstung durchzuführen, macht die Technologie besonders transformativ für Feldeinsätze und Entwicklungsländer, in denen der Zugang zu analytischen Instrumenten begrenzt ist.