Ultrasensytywne wykrywanie na miejscu aflatoksyny M1 w mleku za pomocą aptasensora z nanokompozytem chitozan‑MWCNT‑grafen o zdolności poniżej limitu regulacyjnego

Dlaczego ukryte toksyny w mleku mają znaczenie

Mleko jest codziennym produktem dla wielu rodzin, ale czasami może zawierać nieproszonych gości: rakotwórczą toksynę zwaną aflatoksyną M1. Substancja ta trafia do mleka, gdy zwierzęta mleczne jedzą spleśniały paszę, i może przetrwać pasteryzację oraz normalne gotowanie. Organy regulacyjne ściśle ograniczają dopuszczalne ilości aflatoksyny M1, jednak obecne testy laboratoryjne są często powolne, kosztowne i zlokalizowane daleko od gospodarstw. W tym badaniu przedstawiono kompaktowy, wysoce czuły czujnik, który może wykrywać tę toksynę bezpośrednio w mleku, co potencjalnie ułatwia i zwiększa bezpieczeństwo monitorowania produktów mlecznych na całym świecie.

Toksyczne zagrożenie od gospodarstwa po lodówkę

Aflatoksyny to trujące związki wytwarzane przez niektóre pleśnie rozwijające się na zbożach i paszach dla zwierząt. Jedna z najgroźniejszych, aflatoksyna B1, jest przekształcana w wątrobie krowy w aflatoksynę M1, która następnie przenika do mleka. Nawet przy bardzo niskich stężeniach aflatoksyna M1 wiązana jest z rakiem, uszkodzeniami genetycznymi i osłabieniem układu odpornościowego. Z tych powodów instytucje w Europie i Stanach Zjednoczonych ustaliły bardzo surowe limity dla tej toksyny w mleku. Konwencjonalne metody, takie jak wysokosprawna chromatografia cieczowa i spektrometria mas, potrafią ją wykryć, ale wymagają skomplikowanego sprzętu, przeszkolonego personelu i znacznego czasu — czynniki utrudniające rutynowe badania bezpośrednio na farmie.

Budowa małego strażnika mleka

Naukowcy zaprojektowali elektrochemiczny „aptasensor”, aby rozwiązać ten problem. Zamiast przeciwciał użyli aptamerów — krótkich fragmentów DNA działających jak molekularne rzepy, rozpoznające tylko tę konkretną toksynę. Aptamery umieszczono na małej złotej elektrody pokrytej specjalnym nanokompozytem z nanorurowek węglowych, grafenu i naturalnego polimeru o nazwie chitozan (pochodzącego ze skorup skorupiaków). Materiały węglowe zapewniają dużą, przewodzącą powierzchnię do przenoszenia sygnałów elektrycznych, podczas gdy chitozan tworzy łagodną, biokompatybilną warstwę utrzymującą DNA na miejscu. Razem tworzą trwałą platformę, mogącą pomieścić wiele nici aptamerowych, co zwiększa szansę wychwycenia cząsteczek aflatoksyny w kropli mleka.

Jak czujnik odczytuje toksynę

Czujnik działa przez śledzenie łatwości, z jaką elektrony przemieszczają się między elektrodą a niegroźnym związkiem sygnalizacyjnym w roztworze. Gdy toksyna nie występuje, nici DNA na powierzchni są luźne i rozciągnięte, pozostawiając powierzchnię względnie otwartą, a elektrony płyną swobodnie — co daje silny sygnał prądowy. Gdy aflatoksyna M1 w próbce mleka wiąże się z aptamerami, DNA składa się i zmienia kształt, częściowo pokrywając powierzchnię i blokując przepływ elektronów. Następnie mierzy się spadek prądu, a wielkość tego spadku ujawnia, ile toksyny znajduje się w próbce. Poprzez staranne dostrojenie proporcji nanorurek do grafenu, grubości warstw, ilości DNA i czasu wiązania, zespół zmaksymalizował tę zmianę sygnału, zachowując jednocześnie praktyczny czas testu.

Od stołu laboratoryjnego do prawdziwego mleka

W zoptymalizowanych warunkach czujnik potrafił wiarygodnie mierzyć aflatoksynę M1 w bardzo szerokim zakresie stężeń — od poziomów znacznie poniżej limitów regulacyjnych po wartości znacznie je przekraczające — wykrywając jednocześnie ilości już na poziomie kilku części na bilion. Wykazał dużą wybiórczość: blisko spokrewnione toksyny i inne naturalne zanieczyszczenia w mleku w niewielkim stopniu wpływały na sygnał. Wielokrotnie przygotowane w ten sam sposób sensory dawały niemal identyczne wyniki, a urządzenia zachowały ponad 90% swojej wydajności po dwóch tygodniach przechowywania w chłodzie. Testy na komercyjnych próbkach mleka, do których dodano znane ilości aflatoksyny M1, wykazały, że czujnik odzyskuje niemal dokładnie dodane ilości, dorównując lub przewyższając dokładność i precyzję bardziej skomplikowanych metod referencyjnych.

Co to oznacza dla codziennego bezpieczeństwa mleka

Dla osób niezajmujących się na co dzień tą dziedziną kluczowy przekaz jest taki: badanie oferuje niewielki, niedrogi czujnik, który potrafi wykryć niebezpieczną toksynę w mleku na poziomach poniżej dopuszczalnych limitów, wykorzystując tylko niewielką ilość mleka i stosunkowo prosty sprzęt. Łącząc sprytne DNA‑„zamki” z zaawansowanymi materiałami węglowymi i naturalną powłoką polimerową, urządzenie zamienia subtelne zdarzenia molekularne w czytelne sygnały elektryczne. Przy dalszym dopracowaniu — na przykład integracji z przenośnymi, być może ręcznymi systemami — ta technologia mogłaby pomóc rolnikom, zakładom mleczarskim i inspektorom szybko i na miejscu sprawdzać bezpieczeństwo mleka, zmniejszając zależność od odległych laboratoriów i dodając kolejną warstwę ochrony dla konsumentów.

Cytowanie: Zadeh, R.V., Sani, A.M., Hakimzadeh, V. et al. Ultrasensitive on-site detection of aflatoxin M₁ in milk using a chitosan-MWCNT-graphene nanocomposite aptasensor with sub-regulatory limit capability. Sci Rep 16, 7362 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38492-w

Słowa kluczowe: bezpieczeństwo mleka, aflatoksyna M1, czujnik elektrochemiczny, aptamer, nanokompozyt