[论文解读] 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 15

一句话总结

本文提出了一种快速、无创的光学方法，通过激光散斑去相关性检测食品中活微生物。通过分析从肉样反射的激光散斑图案中的时间强度波动，该技术以高灵敏度检测出活大肠杆菌和蜡样芽孢杆菌的代谢活性，为传统微生物学检测提供了一种低成本替代方案。

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.

研究动机与目标

• 开发一种低成本、快速且无创的食品中活微生物检测方法。
• 解决传统微生物检测方法的局限性，包括设备成本高、处理时间长以及对专业人员的需求。
• 实现实时监测肉制品中的微生物污染，且无需破坏样品。
• 证明激光散斑去相关性技术可用于检测大肠杆菌和蜡样芽孢杆菌等活细菌的代谢活性。

提出的方法

• 该方法使用低相干激光光源照射食品样品，在样品表面产生动态散斑图案。
• 利用高速摄像机或光电探测器捕捉散斑图案中的时间强度波动。
• 通过强度信号的自相关函数计算散斑图案的时间去相关时间。
• 较短的去相关时间表明更高的动态活动，与代谢活跃微生物的存在相关。
• 该技术基于活细胞因代谢运动导致光程长度快速变化的原理，而死细胞或惰性材料则无此现象。
• 该方法应用于人工接种大肠杆菌和蜡样芽孢杆菌的鸡胸肉组织样品，以验证其灵敏度和特异性。

实验结果

研究问题

• RQ1 激光散斑去相关性能否在无需样品处理或标记的情况下检测食品中的活微生物？
• RQ2 激光散斑图案的时间去相关时间与肉品中微生物代谢活性之间有何关联？
• RQ3 该方法能否在肌肉组织等复杂食品基质中区分活菌与死菌？
• RQ4 该技术在检测肉制品中低水平大肠杆菌和蜡样芽孢杆菌时的灵敏度如何？
• RQ5 该方法是否足够稳健，可实现食品安全应用中的实时、非接触式监测？

主要发现

• 该方法成功以高灵敏度检测出鸡胸肉组织中的大肠杆菌和蜡样芽孢杆菌，受污染样品与对照组在去相关时间上表现出明显差异。
• 活微生物因代谢活动导致散斑去相关速度加快，表现为更短的时间相关性。
• 该技术可在数分钟内完成检测，显著快于传统培养方法所需的24–48小时。
• 该方法实现了无创、非接触操作，保持了样品完整性，并支持重复测量。
• 原理验证结果证实，激光散斑去相关性可作为食品中微生物活性的可靠指标。
• 该方法为现有技术提供了一种低成本替代方案，具有集成到工业食品安全筛查系统中的潜力。