Capteurs de spectroscopie Raman à amplification de surface basés sur des fibres optiques pour la détection multiplexe rapide des agents pathogènes d’origine alimentaire dans la volaille crue

Contexte académique

Les maladies d’origine alimentaire représentent un défi majeur pour la santé publique mondiale, et la salmonelle (Salmonella) est l’un des principaux agents pathogènes responsables de ces maladies. Aux États-Unis seulement, elle cause chaque année 1,35 million d’infections, 26 500 hospitalisations et 420 décès. Malgré les objectifs nationaux d’amélioration, le taux d’infections à la salmonelle est resté pratiquement inchangé au cours des trois dernières décennies. Les produits de volaille, en particulier le poulet et la dinde, sont les principales sources d’infections à la salmonelle, représentant environ 23,4 % des cas de salmonellose. Selon les Centers for Disease Control and Prevention (CDC), un emballage de poulet sur 25 vendu en supermarché serait contaminé par la salmonelle. L’impact économique de la salmonelle aux États-Unis est estimé à 4,1 milliards de dollars par an, incluant les coûts médicaux, la perte de productivité et les décès.

Actuellement, les méthodes de détection de la salmonelle reposent principalement sur la réaction en chaîne par polymérase (PCR), qui nécessite au moins 24 heures (incluant l’enrichissement, la préparation des échantillons et l’extraction d’acides nucléiques), ainsi que 5 à 7 jours supplémentaires pour confirmer les échantillons positifs par des méthodes de culture microbiologique traditionnelles. Bien que la PCR soit considérée comme la “référence absolue” pour la détection des agents pathogènes, elle est longue et coûteuse. De plus, les méthodes immunologiques comme l’ELISA, bien que rapides, nécessitent généralement une culture d’enrichissement, ce qui retarde l’obtention des résultats et empêche les fabricants de volaille de prendre des mesures d’intervention rapides pour améliorer la sécurité alimentaire.

Ces dernières années, diverses méthodes de détection rapide des agents pathogènes d’origine alimentaire ont été étudiées, notamment les techniques électrochimiques, d’impédance, optiques, d’analyse par flux latéral, potentiométriques et de microbalance à quartz. Cependant, ces méthodes nécessitent souvent des instruments complexes, un temps de préparation des échantillons long et sont coûteuses. La spectroscopie Raman à amplification de surface (Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERS) est un outil analytique hautement sensible, rapide et sans marqueur, capable d’identifier les molécules par leurs modes de vibration, offrant des perspectives prometteuses. Cependant, les capteurs SERS traditionnels, basés sur des substrats plats ou des extrémités de fibres optiques, présentent des problèmes d’amplification de signal non uniforme et de coût de fabrication élevé.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Mai Abuhelwa, Arshdeep Singh, Jiayu Liu, Mohammed Almalaysha, Anna V. Carlson, Kate E. Trout, Amit Morey, E. Kinzel, Lakshmikantha H. Channaiah et Mahmoud Almasri, issus respectivement du département de génie électrique et d’informatique, du département des sciences de l’alimentation, de la nutrition et de l’exercice de l’Université du Missouri, de la société Cargill, du Collège des sciences de la santé, du département des sciences de la volaille de l’Université d’Auburn et du département de génie mécanique et aérospatial de l’Université de Notre Dame. L’article a été publié en 2024 dans la revue Microsystems & Nanoengineering.

Processus de recherche

1. Conception du biocapteur

Cette étude a conçu un capteur SERS basé sur des fibres optiques pour la détection et l’identification hautement sensibles de la salmonelle dans les produits de volaille. Pour la première fois, des réseaux d’antennes nanométriques en métal ont été intégrés sur le cœur d’une fibre optique multimode polie sur le côté, combinés à une microstructure en plastique imprimée en 3D, permettant une détection hautement sensible de la salmonelle en moins de 10 minutes. Le capteur identifie la salmonelle en détectant son spectre Raman caractéristique, basé sur sa composition moléculaire, telle que les protéines, les lipides, les acides nucléiques et les composants de la paroi cellulaire.

2. Fabrication du capteur

Les réseaux d’antennes nanométriques ont été fabriqués sur le cœur de la fibre optique multimode polie sur le côté en utilisant la technique de lithographie par microsphères (Microsphere Photolithography, MPL). Tout d’abord, la partie médiane de la fibre optique a été dénudée, exposant la gaine pour le polissage. Ensuite, la fibre a été insérée dans une microstructure imprimée en 3D et polie pour obtenir une surface plane et lisse. Enfin, les réseaux d’antennes nanométriques ont été fabriqués sur la surface polie par MPL, et des réseaux de nanodisques en or ont été formés par un processus de décollement.

3. Préparation et test des échantillons

Le liquide de rinçage de la volaille crue a été filtré, puis contaminé avec de la salmonelle (Salmonella Typhimurium) et de la bactérie E. coli O157:H7. Le capteur a détecté les agents pathogènes dans les échantillons contaminés à l’aide d’un spectromètre Raman, enregistrant les spectres Raman et en analysant leurs caractéristiques spectrales.

Résultats principaux

1. Tests de sensibilité

Les résultats expérimentaux ont montré que le capteur pouvait détecter la salmonelle dans le liquide de rinçage de la volaille crue avec une sensibilité de 0,4 à 0,5 cellule/ml. En ajustant la surface de détection et le diamètre des nanodisques, l’intensité lumineuse relative du capteur augmentait avec la concentration de salmonelle. Une surface de détection plus grande et un espace nanométrique plus petit permettaient d’augmenter l’intensité du champ électrique, formant des “points chauds” SERS et améliorant ainsi le signal Raman.

2. Détection multiplexe

Le capteur a pu détecter simultanément la salmonelle et E. coli O157:H7, montrant une grande spécificité. En comparant les spectres Raman des deux agents pathogènes, certains pics étaient spécifiques à E. coli O157:H7, tandis que d’autres étaient spécifiques à la salmonelle, démontrant que cette technique peut détecter plusieurs agents pathogènes simultanément.

3. Temps de détection optimal

Les expériences ont montré que le temps de détection optimal du capteur était de 10 minutes. Au-delà de 10 minutes, l’intensité du signal se stabilisait, et un temps de détection plus long n’améliorait pas significativement la sensibilité.

Conclusion

Cette étude a conçu, fabriqué et validé un capteur SERS basé sur des fibres optiques capable de détecter rapidement la salmonelle dans la volaille crue. Le capteur, utilisant la technique de lithographie par microsphères pour fabriquer des réseaux d’antennes nanométriques sur le cœur d’une fibre optique multimode polie sur le côté, présente une sensibilité, une spécificité et une capacité de détection multiplexe élevées. Les résultats expérimentaux montrent que le capteur peut détecter 0,4 à 0,5 cellule/ml de salmonelle en 10 minutes et peut simultanément détecter la salmonelle et E. coli O157:H7. Ce capteur pourrait révolutionner le domaine de la sécurité alimentaire en réduisant le temps de détection et en améliorant l’efficacité des interventions dans l’industrie de la volaille.

Points forts de la recherche

1. Haute sensibilité : Le capteur peut détecter 0,4 à 0,5 cellule/ml de salmonelle en 10 minutes, bien en dessous des limites de détection des méthodes traditionnelles.
2. Détection multiplexe : Le capteur peut détecter simultanément la salmonelle et E. coli O157:H7 avec une grande spécificité.
3. Fabrication à faible coût : Grâce à la lithographie par microsphères et à l’impression 3D, le coût de fabrication du capteur est considérablement réduit, ce qui permet une production à grande échelle.
4. Détection rapide : Le temps de détection optimal du capteur est de 10 minutes, bien plus rapide que les méthodes PCR traditionnelles, permettant une intervention rapide des fabricants de volaille pour améliorer la sécurité alimentaire.

Importance de la recherche

Cette recherche offre une nouvelle technologie pour la surveillance de la sécurité alimentaire, améliorant considérablement l’efficacité de la détection des agents pathogènes d’origine alimentaire comme la salmonelle. La capacité de détection rapide du capteur permet à l’industrie de la volaille de prendre des mesures d’intervention rapides, réduisant ainsi l’incidence des maladies d’origine alimentaire et protégeant la santé publique. De plus, ce capteur peut être adapté pour détecter d’autres agents pathogènes bactériens et viraux, tels que E. coli O157:H7, Campylobacter, Listeria et la grippe aviaire, offrant des perspectives d’application étendues.