3Dプリントセンサによる病原体の検出

July, 11, 2024, Washington--市場に出回る食品を検査する現在の方法は、高価で時間がかかり、十分な訓練を受けたオペレーターを必要とするため、危険な食品媒介生物が見落とされる可能性がある。世界保健機関(WHO)は、世界中で毎年6億人がこのような汚染の影響を受け、42万人が死亡していると推定している。

現在、中国の研究者は、有害な病原体が消費者に届く前に発見するための、手頃な価格で迅速かつ効果的なソリューションがあると考えている(AIP Adv., doi: 10.1063/5.0208274)。チームのプリント可能なマイクロ流体チップは、光を使用して最大4つのそのような病原体を同時に検出する。

新しい検出方法
研究の著者、広東理工大学のSilu Fengらは、PCR検査や培養ベースの検査など、食品中の病原体を検出するために使用される既存のツールの限界を認識し、より良い選択肢の設計を模索した。チームの解決策は、ナノ干渉計と統合されたマイクロ流体チップ。このチップには4つの異なるセクションがあり、それぞれにラベルフリーのナノポアフィルムで作られた3つのセンサがある。3Dプリンタで製造されたセンサは、マイクロ流体チャネルのネットワークと、食品サンプルを自動的にチップに流し込む3Dストップバルブによって接続されている。

このセンサは、光学アプタマ(特定の標的分子に選択的に結合できる一本鎖DNAまたはRNA分子)をベースにしており、陽極アルミナ酸化物(AAO)と一体化されている。AAO構造は、その化学組成、形状、寸法に関して、光に対して異なる反応を示す。ファブリ・ペロー効果により、AAOの反射率干渉分光スペクトルは、センシングアプリケーションに有用な明確に定義されたピークを示している。ピークは、結合分子が相互作用して光学的厚さを変化させるときに発生する有効屈折率の変化を示している。

したがって、対応するアプタマーが特定の病原体に結合すると、病原体の存在を検出するために測定および使用できる光信号にシフトが生じる。研究チームは、この方法で、病気を引き起こすことで知られる4つの病原体(大腸菌、リステリア菌、黄色ブドウ球菌、ネズミチフス菌)を特定できることを発見した。

病原体の捕捉
Fengとチームは、新しいデバイスをテストするために、バクテリア溶液を作製し、それをチップに導入し、光ファイバプローブに接続された白色光源で照らした。センサをラボシェーカーに載せてサンプルの拡散を高速化し、光ファイバプローブを介して光信号を連続的に監視した。

インキュベーション時間試験では、4つの病原体すべてがセンサを飽和させ、光信号が安定するまでに10〜30分かかることがわかった。このセンサは、病気の原因となる細菌1ミリリットルあたりわずか10個のコロニー形成単位(CFU)しか検出できず(検出限界)、食中毒を引き起こす濃度レベルである10,000CFU/mlをはるかに下回るものだった。細菌の存在を知らせる光学的シフトは、特定のサンプルに存在する病原体の量に対応する。

検出限界が低いことに加えて、このチップは3Dプリンティングによる大量生産が容易で、使用に特別な専門知識を必要としない。Fengは、「この方法は、複数の異なる病原体を迅速かつ効果的に検出でき、検出結果の解釈が容易で、検出効率が大幅に向上する」と説明している。