ファイバーオプティクスに基づく表面増強ラマン分光法センサーを用いた生鶏肉中の食中毒病原菌の迅速多重検出

学術的背景

食中毒は世界的な公衆衛生上の重大な課題であり、その中でもサルモネラ菌（Salmonella）は主要な病原体の一つです。米国だけでも、年間135万件の感染症、26,500件の入院、420件の死亡が報告されています。国家レベルでの改善目標があるにもかかわらず、米国におけるサルモネラ感染率は過去30年間ほとんど変化していません。特に、鶏肉や七面鳥製品はサルモネラ感染の主要な源であり、サルモネラ症の約23.4%を占めています。米国疾病予防管理センター（CDC）によると、スーパーで販売される鶏肉パッケージの25個に1個はサルモネラに汚染されていると推定されています。サルモネラによる米国への経済的影響は、医療費、生産性の損失、死亡を含めて年間41億ドルにのぼります。

現在、サルモネラの検出方法は主にポリメラーゼ連鎖反応（PCR）に依存しており、検出までに少なくとも24時間（増菌、サンプル準備、核酸抽出を含む）を要し、さらに従来の微生物学的培養法による陽性サンプルの確認に5～7日を要します。PCRは病原体検出の「ゴールドスタンダード」とされていますが、時間がかかり、コストも高いという問題があります。また、ELISAなどの免疫学的な方法は迅速な検出ステップを有しますが、増菌培養後に実施されるため、結果が迅速に得られず、鶏肉製造業者が迅速に食品安全対策を実施することを妨げています。

近年、電化学、インピーダンス、光学、ラテラルフローアッセイ、ポテンショメトリック、水晶振動子マイクロバランスなど、さまざまな迅速な食中毒病原体検出方法が研究されています。しかし、これらの方法は多くの場合、複雑な機器、サンプル準備時間、高コストを必要とします。表面増強ラマン分光法（Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERS）は、高感度、迅速、ラベルフリーの分析ツールとして、分子振動モードに基づいて分子を識別する能力を持ち、幅広い応用が期待されています。しかし、従来のSERSセンサーは平面基板やファイバーチップに基づいており、信号増強が不均一で、製造コストが高いという問題があります。

論文の出典

本論文は、Mai Abuhelwa、Arshdeep Singh、Jiayu Liu、Mohammed Almalaysha、Anna V. Carlson、Kate E. Trout、Amit Morey、E. Kinzel、Lakshmikantha H. Channaiah、Mahmoud Almasriらによって執筆され、米国ミズーリ大学の電気工学およびコンピュータサイエンス学科、食品栄養および運動科学学科、Cargill社、健康科学学部、オーバーン大学家禽科学科、ノートルダム大学機械および航空宇宙工学科に所属しています。この論文は2024年に『Microsystems & Nanoengineering』誌に掲載されました。

研究のプロセス

1. バイオセンサーの設計

本研究では、家禽製品中のサルモネラ菌を高感度で検出・識別するためのファイバーオプティクスベースのSERSセンサーを設計しました。センサーは、側面研磨されたマルチモード光ファイバーコア上に金属ナノアンテナアレイを初めて統合し、3Dプリントされたプラスチックマイクロ構造内に組み込むことで、10分以内にサルモネラ菌を高感度で検出することが可能です。センサーは、サルモネラ菌のフィンガープリントラマンスペクトルを検出することで、その分子構成（タンパク質、脂質、核酸、細胞壁成分など）を識別します。

2. センサーの製造

ナノアンテナアレイは、マイクロスフィアフォトリソグラフィー（Microsphere Photolithography, MPL）技術を用いて、側面研磨されたマルチモード光ファイバーコア上に作製されました。まず、光ファイバーの中央部分のジャケットを剥がし、研磨用にクラッドを露出させます。次に、光ファイバーを3Dプリントされたマイクロ構造に挿入し、研磨して平坦で滑らかな表面を得ます。その後、MPL技術を用いて研磨された表面にナノアンテナアレイを作製し、リフトオフプロセスにより金ナノディスクアレイを形成します。

3. サンプルの準備とテスト

生鶏肉の洗浄液を濾過した後、サルモネラ菌（Salmonella Typhimurium）および大腸菌O157:H7（E. coli O157:H7）でスパイク処理を行いました。センサーはラマン分光計を使用してスパイクされたサンプル中の病原体を検出し、ラマンスペクトルを記録してそのフィンガープリント特性を分析しました。

主な結果

1. 感度テスト

実験結果から、センサーは生鶏肉洗浄液においてサルモネラ菌を0.4～0.5細胞/mLの感度で検出できることが示されました。センシング面積とナノディスク径を調整することで、サルモネラ菌濃度の増加に伴い相対光強度が増加することが確認されました。より大きなセンシング面積とより小さなナノギャップは、電界強度を増強し、SERSホットスポットを形成することでラマン信号を向上させます。

2. 多重検出

センサーは、サルモネラ菌と大腸菌O157:H7を同時に検出することができ、高い特異性を示しました。両病原体のラマンスペクトルを比較することで、特定のピークが大腸菌O157:H7に特有であり、他のピークがサルモネラ菌に特有であることが明らかになり、この技術が複数の病原体を同時に検出できることを示しています。

3. 最適検出時間

実験により、センサーの最適検出時間は10分であることが示されました。10分を超えると信号強度が安定し、それ以上の検出時間を延ばしても感度は大幅に向上しません。

結論

本研究では、生鶏肉中のサルモネラ菌を迅速に検出するためのファイバーオプティクスベースのSERSセンサーの設計、製造、検証を行いました。センサーは、マイクロスフィアフォトリソグラフィー技術を用いて側面研磨されたマルチモード光ファイバーコア上にナノアンテナアレイを作製し、高い感度、特異性、多重検出能力を有しています。実験結果から、センサーは10分以内に0.4～0.5細胞/mLのサルモネラ菌を検出でき、サルモネラ菌と大腸菌O157:H7を同時に検出できることが示されました。このセンサーは、食品安全分野において革命的な進歩をもたらし、検出時間を短縮し、家禽業界の食品安全対策の効率を向上させる可能性があります。

研究のハイライト

1. 高感度: センサーは10分以内に0.4～0.5細胞/mLのサルモネラ菌を検出でき、従来の方法の検出限界を大幅に上回ります。
2. 多重検出: センサーはサルモネラ菌と大腸菌O157:H7を同時に検出でき、高い特異性を示します。
3. 低コスト製造: マイクロスフィアフォトリソグラフィー技術と3Dプリント技術により、センサーの製造コストが大幅に削減され、大規模生産に適しています。
4. 迅速検出: センサーの最適検出時間は10分で、従来のPCR法よりもはるかに迅速であり、迅速な結果提供が可能です。

研究の意義

この研究は、食品安全監視に新しい技術的手段を提供し、サルモネラ菌などの食中毒病原体の検出効率を大幅に向上させます。センサーの迅速な検出能力は、家禽業界が迅速に対策を講じることを可能にし、食中毒の発生を減らし、公衆衛生を守ることに貢献します。さらに、このセンサーは大腸菌O157:H7、カンピロバクター、リステリア、鳥インフルエンザなどの他の細菌やウイルス病原体の検出にも応用可能であり、幅広い応用が期待されます。