[論文レビュー] A simple and rapid method for detecting living microorganisms in food using laser speckle decorrelation

Jonghee Yoon, KyeoReh Lee+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2016

Advanced Chemical Sensor Technologies参考文献 24被引用数 15

ひとこと要約

本論文では、レーザー スペックルの相関関数の分解を用いて、食品に存在する生きた微生物を迅速かつ非侵襲的に検出する光学的手法を提示する。肉試料から反射するレーザー スペックルパターンの時間的強度変動を分析することで、E. coli や B. cereus の代謝活動を高い感度で検出可能であり、従来の微生物学的分析手法に比べて低コストな代替手法を提供する。

ABSTRACT

Measuring microorganisms in food products is a critical issue for food safety and human health. Although various approaches for detecting low-levels of microorganisms in food have been developed, they require high-cost, complex equipment, invasive procedures, and skilled technicians which limit their widespread use in the food industry. Here, we present a simple, non-destructive, non-contact, and rapid optical method for measuring living microorganisms in meat products using laser speckle decorrelation. By simply measuring dynamic speckle intensity patterns reflected from samples and analyzing the temporal correlation time, the presence of living microorganisms can be non-invasively detected with high sensitivity. We present proof-of-principle demonstrations for detecting E. coli and B. cereus in chicken breast tissues.

研究の動機と目的

• 食品製品中の生きた微生物を低コスト・迅速かつ非侵襲的に検出するための手法を開発すること。
• 従来の微生物学的試験の限界、すなわち高額な機器費用、長時間の処理時間、熟練した技術者を要することを是正すること。
• 試料を破壊せずに、肉製品における微生物汚染をリアルタイムでモニタリングできること。
• E. coli や B. cereus などの生きた細菌における代謝活動の検出に、レーザー スペックルの相関関数の分解が実用可能であることを実証すること。

提案手法

• 低コherenceレーザー光源を用いて食品試料を照射し、表面に動的スペックルパターンを生成する。
• 時間的強度変動は、高速カメラまたはフォトディテクタを用いて記録する。
• スペックルパターンの時間的相関関数から、時間的相関関数の分解時間（decorrelation time）を計算する。
• 短い分解時間は、高い動的活動を示し、代謝的に活性な微生物の存在と相関する。
• この手法は、死んだ細胞や不活性物質とは異なり、生きた細胞が代謝的運動によって光学パス長を急速に変化させることに依存している。
• 感度と特異性を検証するため、E. coli や B. cereus で人工的にインoculatedされたチキンの胸肉組織試料にこの手法を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レーザー スペックルの相関関数の分解は、試料の前処理や標識なしに、食品中の生きた微生物を検出可能か？
• RQ2 レーザー スペックルパターンの時間的相関関数の分解時間は、肉中の微生物代謝活動とどのように相関するか？
• RQ3 この手法は、筋肉組織のような複雑な食品マトリックスにおいて、生きた微生物と死んだ微生物を区別できるか？
• RQ4 E. coli や B. cereus の低濃度を、この手法がどれだけ感度よく検出できるか？
• RQ5 この手法は、食品の安全性応用におけるリアルタイムで非接触のモニタリングに耐えうるほど堅牢か？

主な発見

• E. coli や B. cereus がチキンの胸肉組織に存在する場合、本手法は高い感度で検出に成功し、汚染済み試料と対照試料との間で分解時間に明確な差を示した。
• 生きた微生物は代謝活動により、スペックルの分解を速やかに引き起こし、結果として時間的相関関数の分解時間が短くなった。
• 本手法は数分で検出が可能であり、従来の培養法（24–48時間必要）に比べて顕著に迅速であった。
• 本手法は非侵襲的かつ非接触での運用が可能であり、試料の完全性を保ち、繰り返し測定が可能であった。
• 概念実証の結果、レーザー スペックルの相関関数の分解が、食品中の微生物の生存状態を信頼できる指標として機能することが確認された。
• 本手法は、既存の手法に比べて低コストであり、産業用食品の安全性スクリーニングシステムへの統合が可能であると示唆された。