CC BY
51
УДК 543.07+53.087+621.389 Т. М. Зимина
Лаборатории-на-чипе
для обеспечения пищевой безопасности
Ключевые слова: лаборатории-на-чипе, биосенсоры, пищевая безопасность. Keywords: laboratory-on-a-chip, biosensors, food safety.
Рассмотрены перспективы внедрения миниатюрных интегрированных аналитических приборов нового поколения — лабораторий-на-чипе (ЛНЧ) — для обеспечения пищевой безопасности. Описаны основные функциональные сенсорные элементы ЛНЧ, интегрируемые в многофункциональные гибридные аналитические приборы, включая оптические элементы (спектрофлюори-метрический сенсор с вогнутой дифракционной решеткой), видеосенсорный модуль для идентификации биологических частиц в каналах микрофлюидной системы с помощью захвата изображений и алгоритмов распознавания образов, сенсорные системы на основе электромагнитного излучения микроволнового диапазона.
Введение
Заболевания пищевого происхождения получают все большее распространение — миллионы людей во всем мире болеют и гибнут после пищевых отравлений. Поэтому вопросы обеспечения пищевой безопасности приобретают первостепенное значение в социальной политике государства и бизнеса. В целях повышения качества пищевых продуктов вводятся всевозможные стандарты, такие как ГОСТ Р ИСО 22000-2007 (ISO 22000:2005) или HACCP (от англ. Hazard analysis and critical control points), устанавливающие принципы и требования к предприятиям пищевой промышленности. Для реализации таких программ необходимы средства анализа пищевых продуктов и выявления в них опасных компонентов [1]. К ним относят значительное количество соединений и микроорганизмов, которые можно сгруппировать по химическому составу и происхождению (табл. 1).
Из табл. 1 видно, что для анализа содержания опасных загрязнений в пище требуется обеспечение соответствующих аналитических лабораторий многофункциональным оборудованием, что является весьма трудоемким делом.
Учитывая остроту проблемы, обеспокоенность общества, следует искать пути обеспечения контро-
лирущих органов такой аналитической базой нового уровня, обладающей высокой производительностью анализа, а также мобильностью и доступностью. Известные аналитические средства, такие как приборы для хроматомасс-спектрометрии, высокоэффективной жидкостной и газовой хроматографии, капиллярного электрофореза, обладая высокой селективностью, не могут обеспечить достаточную производительность анализа для мониторинга продуктов питания.
Проблема обеспечения аналитической базы пищевой промышленности может решаться на современном уровне в направлении создания лабораторий-на-чипе (ЛНЧ), интегрирующих на миниатюрной платформе различные биосенсорные системы, и реализации аналитических принципов на основе микро- и нанотехнологий [15—25]. Такие приборы востребованы обществом, а их внедрение в промышленность позволит выпустить конкурентоспособные импортозамещающие образцы продукции. Разработка приборов нового поколения требует решения широкого круга научно-технических задач, включая создание разнообразных интегрируемых сенсорно-актюаторных элементов. К настоящему времени реализовано значительное разнообразие биосенсорных систем, которые могут интегрироваться в ЛНЧ для создания мультифунк-циональных высокопроизводительных аналитических систем.
Цель работы — анализ основных походов к решению научно-технических задач обеспечения пищевой безопасности в рамках реализации методов экспресс-контроля с использованием лабораторий-на-чипе.
1. Структура и функции ЛНЧ
Миниатюризация аналитических систем обеспечивает повышение абсолютной чувствительности анализа за счет сокращения объема пробы и резкое увеличение скорости анализа. При этом микро- и нанотехнологии позволяют реализовывать автоматическое регулирование стадий аналитического процесса в интегрированных функциональных модулях микросистем, гибкое моделирование тополо-
Таблица 1 Основные группы опасных пищевых контаминантов
Группа Детализация Источник Примеры соединений
Удобрения и средства защиты растений (агрохимия) Инсектициды, гербициды, родентициды, регуляторы роста растений и животных, ветеринарные препараты, антибиотики Овощи, фрукты, зелень, молочные продукты, мясо Нитриды, нитраты,нитрофуран, фторхинолон, глифосат, POEA (поли-оксиэтиленамин) [2], а-нафтилтио-карбамид, фосфид цинка, тетрафена-цин [3]
Химические соединения — природные или антропогенные экологические загрязнители Контаминанты из среды выращивания, сбора, процессинга, упаковки и транспорта пищевых продуктов Воздух, почва Радиоактивные соединения (йод-131, цезий-137, стронций-90, кобальт-60, америций-241) [4]. Полициклические ароматические углеводороды [5]
Вода Мышьяк, ртуть, тяжелые металлы, хлорорганические соединения [6]
Почва Кадмий, нитраты, перхлораты, полихлористые бифенилы, диоксины [7]
Упаковка Олово, свинец, антимония, перфтор-полимеры, семикарабзиды, бензофе-ноны, изопропил тиоксантон, бисфе-нол А и др. [8]
Приготовление и обработка пищи Медь или другие металлы, лабрикан-ты, моющие и дезинфецирующие средства [9]
Биологические токсины Микотоксины, грибные токсины, скомбротоксин (гистамин), токсины моллюсков и др. Испорченные продукты, ядовитые грибы Фитогемагглютинин, тетродотоксин, мускарин, пирролизидиновые алкалоиды, грэйанотоксин, тетродоток-син [10]
Генетически модифицированные организмы Фрагменты чужеродной ДНК, внедренной в геном растения Соя, кукуруза, томаты, картофель, сахарная свекла, рис 35S/NOS, трансгенная линия сои — MON89788, ГМ кукуруза: MON810, MIR-604 и 3272 [11]
Вредные усилители вкуса, пищевые добавки Добавки, усиливающие вкус пищи для маскировки продуктов низкого качества Лапша, чипсы, бульонные кубики, фастфуд, изделия из мороженного мяса, сухие сливки, сухарики Глутамат натрия (E621), гуанилат натрия (E627), инозинат натрия (Е631), ацетет цинка (E650) [12]
Пищевые фальсификаты Замена животных жиров растительными, имитация продуктов питания на основе синтетических материалов или субстанций Мороженое, молочные продукты,икра, растительное масло, мясо, копчености, мед и др. Трансжиры, соевые белки, эмульсии, полимеры, метиловый спирт, изо-пропиловый спирт и др. [13]
Патогенные микроорганизмы Вирусы, бактерии, грибы, паразиты Сырая пища, контаминация от больных людей E. coli, Salmonellae и др. [14]
гии и конструкции таких систем под конкретный анализ и создание многоканальных систем для параллельного анализа нескольких образцов.
Потребность в быстром и эффективном анализе определяет многообразие аналитических микросистем, проявляющееся в принципах осуществления транспорта веществ, сенсорно-актюаторных элементов, датчиков, реакторов. Применение всего многообразия технологий микроэлектроники, микросистемной техники и принципов миниатюризации позволило реализовать большое количество таких элементов и открыло возможности развития нового поколения средств анализа — ЛНЧ [15-25].
Технологии ЛНЧ разнообразны и сложны, поскольку в них должны интегрироваться различные функциональные элементы для реализации всех стадий анализа: начиная от пробоподготовки и заканчивая регистрацией сигналов датчиков, а возможно, и их обработки.
Преимущества интегрированных устройств, используемых в химическом анализе, состоят в том, что они схожи с устройствами микроэлектроники и потому наработанные технологии дают потенциальные преимущества: низкую стоимость и компактность устройств, обладающих операционной простотой, надежностью и возможностью добавления параллельной архитектуры для решения многообразных задач.
2. Элементы пробоподготовки в ЛНЧ для анализа пищевых продуктов
Из табл. 1 видно, что известно значительное количество пищевых токсикантов и вредных добавок, которые необходимо выделить из пробы для анализа. Обычно для выделения таких веществ требуются перевод в жидкую фазу, фильтрация, экстракция, химическая модификация. Интегрированные ЛНЧ должны содержать модули, в которых осуществляются предочистка и обработка пробы. Современные технологии позволяют реализовать ряд таких процедур непосредственно в ЛНЧ [17]. Например, подготовка пробы может осуществляться с помощью пористой мембраны [21-23]. На рис. 1, а показана мембрана, применимая для выделения клеток и микроорганизмов. Мембрана сформирована на базе анодного оксида алюминия и содержит цилиндрические поры с топологически заданным положением и размером, что позволяет контролировать проницаемость мембраны. Возможность прецизионного подбора размера пор и их монодисперсное распределение по размерам позволяют создавать фильтрационные устройства нового поколения с дополнительными возможностями. Интерес также представляют
а)
Воздух
Рис. 1
Мембранная предочистка пробы: а — нанофильтр (й = 5,5 мкм, Н = 100 мкм); б — планарный фильтрационный модуль, изготовленный методом 3В-печати с полимерной мембраной: 1 — анодный оксид алюминия; 2 — пора
таги тип тип
Питательный раствор б) 1 2
Рис. 2 Экспресс-микробиологический анализ с помощью ЛНЧ: а — ростовой модуль ЛНЧ на основе мультипорис-той структуры из анодного оксида алюминия (АОА); б — фрагмент нанопористой пластины АОА: 1 — АОА; 2 — нанопора; 3 — ростовая среда; 4 — микроорганизм; 5 — гидрофорбное покрытие
мембранные модули для посева и анализа микроорганизмов, выполненные на основе пленочных и 3Б-полимерных технологий (рис. 1, б).
На основе такого подхода к пробоподготовке может быть осуществлен экспресс-вариант автоматического микробиологического анализа. На рис. 2 показана схема миниатюрного модуля для выращивания микроколоний бактерий, которые могут быть идентифицированы и исследованы на резистентность к антибиотикам. Этот подход позволяет на порядок сократить время анализа [26].
3. Сенсорные элементы в ЛНЧ для анализа продуктов питания
3.1. Флюориметрические сенсоры
Биосенсоры матричного типа, или биочипы [27], — это современная технология анализа генетического, белкового, а также иного органического материала, основанная на молекулярном распознавании и связывании объектов — мишеней — иммобилизованными олигомерными биомолекулами, получившими наименование аптамеры [28]. Основу биочипа составляет подложка из стекла или полимера, на поверхности которой иммобилизованы различные зонды — фрагменты нуклеиновых кислот (олиго-нуклеотиды), белков (олигопептиды), размещенных в строго топологически кодированном порядке.
Для регистрации результатов анализа пищевых продуктов наиболее распространенным в настоящее время является применение флюоресцентных
Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы
красителей [27, 29]. Такой анализ реализуется на основе молекулярного распознавания, клеточного анализа, анализа на основе энергетического переноса, прикрепления меток к мишеням, белкового или иммуноанализа и микроматричного анализа, как, например, микроматрицы: антитело (белок), микросфера (суспензия), капилляры (сенсор), ДНК (ПЦР), гликан (лектин), а также тканевые матрицы для оценки аллергичности (токсичности), загрязнения, контроля качества и безопасности. Рассмариваются перспективы ДНК-матриц для профилирования экспрессии генов для исследования внутриклеточной сигнализации в ответ на поступление пищи [29—36].
В сенсорных системах с использованием флюоресцентного детектирования применяют флюоресцентные смолы, которые обычно представляют собой полиароматические или гетероциклические соединения, характеризующиеся длиной волны поглощения (^max) и эмиссии (Aem), коэффициентом экстинкции (е) и квантовым выходом флюоресценции (Ф) [29]. К настоящему времени синтезировано большое количество флюоресцентных смол, например индикатор кальция FuraRed, смола, возбуждаемая в фиолетовой и зеленой полосах спектра, используемая для мониторинга клеточного метаболизма [32], цианиновые красители Cy2(Amax = 492 нм, Aem = 510 нм), Cy3(Amax = 550 нм, Aem = 570 нм), Cy5(Amax = 650 нм, Aem = 670 нм), обеспечивающие высокую яркость и контрастность, возбуждение в видимой области спектра [32], SYBR Green I (Amax = 497 нм, Aem = 520 нм) [33], квантовые точки [32] и многие другие красители нового поколения. В ЛНЧ и биочипах такие красители используют как маркеры в конъюгатах для определения целевых белков [35] (рис. 3, а), клеток в формате матриц [34, 36], в цифровой микрофлюидике [37] или в сепарационных узлах [37].
В связи с успехами в области автоматического синтеза фрагментов белков и ДНК повышается
интерес к системам на основе аптамеров [28, 35] (рис. 3, б).
Детектирование сверхмалых количеств флюоро-1 8
фора (Ю-18 М и менее) требует оптимизации оптической схемы. Одним из приемов, позволяющих повысить интенсивность вторичного сигнала флюоресценции на один-два порядка, является повышение светосилы оптической системы, например на основе принципа кругов Роуланда (рис. 4, а) [37]. Исследована применимость CD-R для изготовления вогнутых дифракционных решеток с периодом 1,6 мкм. Вогнутость решетки имеет важное значение для реализации принципа кругов Роуланда [20]. Размер первичной пластины и радиус кривизны влияют на угловую апертуру для отраженного вторичного излучения и, как следствие, на светосилу для фотоприемного устройства. Радиус кривизны вогнутой решетки определяет размеры всей оптической системы. Схема конструкции такого элемента в составе ЛНЧ показана на рис. 4, б.
Количественный анализ пищевых кантоминан-тов может проводиться с помощью их селективного связывания на микроплощадках с иммобилизованными пептидными якорными группировками-ап-тамерами с последующим измерением нативной флюореценции иммобилизованных белков. Одноразовые чипы представляют собой сэндвич-структуры на основе полимерных пленок и стеклянной пластинки со слоем люминофора. Выбор материалов обусловлен, прежде всего, обеспечением флюоресцентного детектирования объектов за счет сниженного фонового излучения (рис. 5).
Реализация предложенного типа анализа требует разработки биораспознающих молекулярных лигандов, например с помощью метода ССИВС (концепция систем сопряженных ионно-водород-ных связей) [38].
Эффективность анализа целевых белков с помощью аптасенсора требует достижения высокой
а)
б)
г* Ы
& И
соон
NH,
СООНСООН
I I
R
Аптамер с NH2 группой
Электрохимическая иммобилизация
Связывание и детектирование Salmonella
CONHCONH
I I
R,
щ з а и в и
с
CONHCONH
Рис. 3
Биосенсорные элементы на основе фолюоресцентного детектирования матричного типа: а — регистрация целевых белков; б — регистрация микроорганизма с помощью аптамеров (аптасенсор) [37]
Рис. 4
Оптическая схема регистрации флюоресценции (а); экскиз варианта оптического узла ЛНЧ со спектрофлюориметрическим элементом на основе принципа кругов Роуланда (б) [20]:
1 — вогнутая дифракционная решетка (ВДР); 2 — круг Роуланда; 3 — ПЗС-сенсор; 4 — шторка; 5 — источник УФ-излучения, светодиод; 6 — направление потока первичного излучения; 7 — флюоресцирующий объект; 8 — поток вторичного излучения в апертуре ВДР; 9 — спектр флюоресценции, сфокусированный на поверхности видеосенсора
а)
ч
б
Рис. 5
Биочип для определения целевых глобулярных белков (1 — ПЭ герметизирующая крышка для доступа первичного УФ-излучения; 2 — ПВХ-пленка с рельефом микрофлюидной системы;
3 — ПЭ-пленка с окном из экструзионного стекла со слоем люминофора; 4 — ПЭТФ-пленка, обеспечивающая жесткость конструкции); б — вид биочипа с флюорофором; в — численное моделирование течения в микрофлюидной системе биочипа с сопряжениями площадок различной конфигурации. Скорость на входе 1 мм/с, низкая вязкость. Стрелкой показана флюоресценция глобулярного белка в концентрации 10-6 моль/л
а)
б)
Оптическая плотность
0,009
3400 3200 3000 2800 2600 2400 Волновое число, см-1
2200 2000
Рис. 6
Подготовка стеклянных подложек для иммобилизации белковых лигандов: а — АСМ-изображение поверхности стекла после плазмохимического травления в течение 7 мин; б — зависимости оптической плотности от волнового числа в ИК-области спектра для стеклянных подложек, обработанных методом плазмохимического травления при различном времени экспозиции от 1 до 25 мин
14
Приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы
плотности покрытия поверхности подложки лиган-дами (аптамерми). В целях повышения площади поверхности и увеличения концентрации активных центров для ковалентного присоединения олигопеп-тидов — гидроксильных групп — проведено плаз-мохимическое и ионно-химическое травление на установке Caroline PE 15. Образцы покровных стекол «Минимед» (Россия) размерами 18 х 18 мм травили в смеси Ar, SF6 и O2 при постоянном расходе технологических газов (Ar — 2,5 л/ч; SF6 — 3 л/ч; O2 — 0,5 л/ч), мощности на антенне WA = 350 Вт, мощности на ВЧ столике WC = 200 Вт. Подложки исследовали методом атомно-силовой микроскопии и ИК-спектроскопии (рис. 6). Из рис. 6 видно, что плазмохимическая обработка повышает площадь поверхности стеклянных подложек и концентрацию поверхностных гидроксильных групп [20].
3.2. Интегрируемые сенсоры
на основе высокочастотного
электромагнитного излучения
Сенсоры на основе электромагнитного излучения микроволнового диапазона на основе электрического импеданса являются перспективным направлением благодаря возможности интегрирования в ЛНЧ, гибкости конструкций и высокой
чувствительности. Импедиметрические сенсоры (ИДС) получили распространение в последние годы и применяются в анализе биологических жидкостей, тканей и клеток [39]. По сравнению с другими сенсорными системами они обладают целым рядом преимуществ, включая безопасность, низкую стоимость, быстроту анализа и возможность исключения влияния на исследуемый образец сторонних веществ и красителей, а также простоту миниатюризации. В статье [39] описано исследование ИДС при идентификации микробиологических объектов и определении их жизнеспособности. Данные, получаемые с помощью такого датчика в составе ЛНЧ, могут использоваться для идентификации микробиологических загрязнений пищи.
Один из вариантов эскизного проектирования датчика, выполненный при помощи технологии 3D-печати, представлен на рис. 7 [20]. Исследованы зависимости модуля импеданса | Z | от частоты f для суспензий микроорганизмов: Lactobacillus fermentum 90T-C4, Bifidobacterium bifidum 791, E. coli M-17 и Saccharomyces serevisiae. На рис. 7 показана схема измерения, где V и V2 — измеряемые параметры, а Zx — параметр, определяемый с помощью аппроксимации экспериментальных зависимостей |Z(f)|.
Другой разновидностью подобных сенсоров являются сенсоры на основе магнитно-резонансных
|Z|, кОм 4,5
4,0 -
3,5 -
3,0 -
2,5
2,0 -
1,5 -
1,0 "
:
R
ЛААг
\
©
■ ч
Zx = F(R1, R2, C, f), x: I, II, III, IV
R
6 5
4
.
III
IV
I
II
0,5 ' ' mi| 1—1 1 iiifi| 1—1 1 1 11 ii| 1 1 I 1 mi| 1 1 1 IHII| 1—гттнр—n
101 102 103 104 105 106 f, Гц
3
Z
x
1
C
Рис. 7
Электромагнитные радиочастотные сенсоры для ЛНЧ [20], планарный импедиметрический сенсор (ИДС) с открытой крышкой и эквивалентная схема измерения:
I — канал для пробы; 2 — электроды; 3 — резервуары для биологических жидких проб; 4 — межклеточная жидкость; 5 — цитозоль; 6 — клеточная мембрана; зависимости модуля импеданса от частоты: I — Lactobacillus fermentum 90T-C4;
II — Bifidobacterium bifidum 791; III — Saccharomyces cerevisiae; IV — E. coli;
Rl — сопротивление межклеточной жидкости в пробе; R2 — сопротивление клеточной цитоплазмы; С — емкость конденсатора с обкладками из клеточной оболочки
принципов. Такие сенсоры, настроенные на резонанс протонов воды, могут работать в миниатюрных системах, регистрируя межмолекулярные перестройки в пробе как результат реакций молекулярного распознавания.
3.3. Электрохимические сенсоры
Для анализа загрязнения пищевых продуктов ионами металлов перспективными являются электрохимические сенсоры с ионоселективными электродами, которые можно интегрировать в ЛНЧ [41]. Например, электрод с мембраной из фторида лантана позволяет определять ионы Е- при концентрациях до 10-6 моль • л-1 за несколько секунд. Кадмий-селективный электрод на основе композиционного электропроводящего материала, содержащего на-ночастицы кадмия в полимерной матрице, который получен методом химического восстановления кадмия из растворов его солей на поверхность гранул термопластичного полимера с последующим горячим прессованием [42], позволяет определять ионы кадмия в концентрациях до 10-7 моль • л-1.
3.4. Колориметрические сенсоры
Интересным направлением анализа пищевых продуктов является имплементация цветных реакций качественного химического анализа на чипе. Такой анализ позволяет выявлять целый ряд веществ, например белок, крахмал, глюкозу [43]. Так, биуретовая реакция на пептидную связь может применяться при определении качества продуктов питания для исключения их фальсификации или простейшая реакция с йодом на крахмал может использоваться для тех же целей.
ЛНЧ для реализации таких реакций в автоматическом режиме должны содержать подсистему про-боподготовки для получения раствора заданной концентрации, узел дозирования, подсистему транспорта, смеситель, источник излучения и фотоприемник.
3.5. Хроматографические сенсорные методы
Определение многих пищевых контаминантов требует осуществления стадии сепарации, поскольку они не проявляют достаточной молекулярной селективности при прямом сенсорном определении. В таком случае возможно применение миниатюрных хроматографических систем, интегрированных в ЛНЧ в режиме сенсора. Это означает, что хро-матограмма анализируется в виде образа, который сравнивается с библиотекой. К таким веществам относятся, например, пестициды, инсектициды, родентициды, моющие средства, полициклические ароматические соединения и др. [18].
3.6. Видеосенсорные методы распознавания образов
При проведении идентификации в ЛНЧ патогенных бактерий после стадии роста важным элементом является видеосенсор. Применение такого сенсора в ЛНЧ имеет два ограничения: размер элемента и «увеличение». Исследована возможность создания миниатюрной системы регистрации образов микроколоний размером 10-50 мкм в сенсорном режиме с фиксированным фокусным расстоянием, которая обладала бы жесткостью конструкции [44, 45]. Размеры устройства, созданного на основе ПЗС-камеры, составляют 25 х 60 мм (рис. 8, а), что позволяет встроить его в мобильный аналитический прибор.
Механическая модификация камеры позволила применить ее в режиме микроскопа и достичь увеличения х650, что достаточно для визуализации микроколоний бактерий размером 10-20 мкм и их идентификации до вида (рис. 8, б). Имеются резервы дальнейшего повышения разрешения и снижения аберраций в системе.
Для эффективного функционирования аналитических приборов с видеорегистрацией (в частности, микробиологической ЛНЧ) необходимы модули получения, обработки и агрегации обезличенных данных, а также системы для хранения данных и доступа к ним специалистов в целях проведения экспертизы продуктов питания. В работе [46] описано исследование программно-аппаратного комплекса для мониторинга, управления и автоматизации мобильных приборов для идентификации биологических кластеров по визуальному образу. В настоящее время не существует единого эффективного алгоритма распознавания образов, так как эта задача уникальна в каждой области применения. Распознавание микроколоний бактерий является сложной задачей вследствие похожести этих объектов. Алгоритм на основе градиентного под-
а)
б)
Рис. 8
Миниатюрный видеосе^ор для комплектации портативного прибора для микробиологической диагностики бактериальных инфекций: а — общий вид; б — изображение микроколоний E. coli при увеличении х650
Рис. 9
Стадии формирования стандартного образцового спектра для 81арЫ1осоесив agalactiae; время роста 3,5 ч: а — исходное изображение; Ь — черно-белое изображение; с — усреднение данных; 4 — поиск и визуализация индивидуальной колонии; е — генерирование характерного спектра размеров векторов по углам направления градиентов интенсивности [46]
хода позволил идентифицировать основные виды патогенных микроорганизмов с точностью 80 %. На рис. 9 показаны результаты обработки изображения микроколонии Б!;. adalactiae при времени роста 3,5 ч [46].
4. Экспресс-анализ пищевых патогенов с помощью ЛНЧ
Разработка мобильных диагностических приборов на основе технологий ЛНЧ является одним из перспективных мультидисциплинарных направлений развития науки и техники, которое коренным образом изменит аналитические возможности в пищевой промышленности. Современный технологический уровень позволяет развивать методы гетерогенного интегрирования функциональных
Контаминация пищевых продуктов патогенными микроорганизмами остается серьезной проблемой [47, 48]. Продукты загрязняются при соприкосновении с почвой, инфицированными животными и людьми. В табл. 2 перечислены основные патогены, встречающиеся в пище.
Для экспресс-определения зараженности продуктов могут применяться микробиологические ЛНЧ (рис. 10) [49, 50].
Разработки в области ЛНЧ имеют большую практическую значимость, поскольку формируют сектор приборов нового поколения, обладающих высокой точностью, мобильностью и доступностью. Все это позволяет сделать анализ пищевых продуктов высокопроизводительным, оперативным и широко доступным.
о Вход для бактериологической пробы
О
/
Вход
т
/
□
Ростовая платформа
□
\
Спускной клапан о
Сенсоры
О О О О О
Сортировка патогенов
в> •
-лО оооо
Т-клапаны
Слив для бактериологической массы 0 0 0 0 0
Рис. 10 Схема микробиологической ЛНЧ
насоса
Таблица 2 | Основные пищевые патогены
Патоген Инкубационный период Источник загрязения
Bacillus Cereus 1-24 ч Почва
Clostridium botulinum 12-72 ч Неправильно герметизированные домашние и промышленные консервы из мяса, рыбы, картофеля и воды
Campylobacter jejuni 2-7 дней Сырое молоко и яйца, недообработанное мясо птицы, морепродукты и вода
Clostridium Perfingins 8-22 ч Мясо птицы и другая «теплая» пища
Cryptosporidium 2-28 дней Загрязненная вода, овощи, непастризованное молоко, передача от человека к человеку и от человека к пище
Escherichia coli 0157:H7 24 ч - 10 дней Сырое мясо и молоко, сырые овощи и другие продукты, передача от человека к человеку и от человека к пище
Listeria 9-48 ч Свежий мягкий сыр, непастеризованное молоко, готовые продукты (бутерброды, хотдоги и пр.), передача от человека к человеку и от человека к пище
Salmonella 6-72 ч Птица, яйца, мясо, зелень
Shigella - Загрязненная пища и сырые овощи, салаты с яйцами, вода, передача от человека к человеку и от человека к пище
Staphylococcus aureus 1-8 ч Кремы, картофельные салаты, нарезанное мясо
Hepatitis A 15-50 дней Передача от человека к человеку и от человека к пище, вода
Novovirus 12-72 ч Морепродукты, вода, передача от человека к человеку и от человека к пище
материалов, полученных с использованием нанотехнологий. Роспотребнадзор. 2015. URL: http://www.rospotrebnadzor. ru/ documents/details.php?ELEMENT_ID=4807&sphrase_ id=769095
9. Susan Aldridge. Archaeforensics. What Killed?.. // BBC Focus. 2008. N 2. P. 42.
10. Biotoxins. URL: https://emergency.cdc.gov/agent/biotoxins/
11. Gryson N. A microarray-based detection system for genetically modified (GM) food ingredients // Anal. Bioanal. Chem. 2010. Vol. 396. N. 6. P. 2003-2022.
12. Полный список пищевых добавок Е. URL: http://supercook. ru/1-spe.html
13. Где находятся вредные жиры (трансжиры) и почему их нельзя употреблять? URL: http://vkus-zhizni-ak.ru/produkty-pitaniya/gde-nahodyatsya-vrednyie-zhiryi-transzhiryi-i-pochemu-ih-nelzya-upotreblyat.html
14. Безопасность продуктов питания. Информационный бюллетень ВОЗ. URL: http://www.who.int/mediacentre/ factsheets/fs399/ru/
15. Harrison D. J., Fluri K., Seiler K. [et al.] Micromachin-ing a miniaturized capillary electrophoresis-based chemical analysis system on a chip // Science. 1993. Vol. 261 (5123). P. 895-897.
16. Зимина Т. М. Лаборатории-на-чипе для телемедицины // Биотехносфера. 2012. № 1 (19). С. 29-40.
17. Зимина Т. М., Гвоздев Ю. А., Ширинян Т. В. Лаборатории-на-чипе. Современное состояние // Биотехносфера. 2014. № 6. C. 41 - 66.
18. Zimina Т. М., Luchinin V. V. Microsystems for express analysis // Journ. of Analytical Chemistry. 2011. Vol. 66. N. 12. P. 1136-1158.
19. Зимина Т. М. , Лучинин В. В. Миниатюрные аналитические платформы: ожидания, реальность и перспективы // Наноиндустрия. 2010. № 5. С. 80-88.
компонентов ЛНЧ и создавать автоматизированные платформы нового поколения.
Представленные в разделах 2 и 3 работы были поддержаны грантами Минобрнауки в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России». Соглашение № 14.B37.21.0793 от 3 сентября 2012 г. и Соглашение № 14.B37.21.0568 от 3 сентября 2012 г.
Литература
1. О контроле за безопасностью продуктов питания в Российской Федерации. http://www.rospotrebnadzor.ru/about/ info/news/news_details.php?ELEMENT_ID=4319
2. Пивоваров Ю. П. Гигиена и экология человека. Нитраты, нитриты и азотные удобрения. 1999. URL: http://xn--80ahc0abogjs.com/sanepidkontrol-gigiena/gigiena-ekologiya-cheloveka.html
3. Онищенко Г. Г., Покровский В. И. Профилактическая медицина и эпидемиология. М.: Наука, 2010. С. 394—396.
4. Постановление Главного государственного санитарного врача Российской Федерации от 17 апреля 2003 г. № 53 «О введении в действие СанПиН 2.1.7.1287-03 „Санитарно-эпидемиологические требования к качеству почвы"».
5. Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs)—EPA Fact Sheet. U. S. Environmental Protection Agency. Office of Solid Waste. January 2008.
6. Мотузова Г. В., Безуглова О. С. Экологический мониторинг почв. М.: Академический проект; Гаудеамус, 2007. 237 с.
7. Диоксины и диоксиноподобные вещества. URL: http:// www.who.int/ipcs/assessment/public_health/dioxins/ru/
8. Методические указания 1.2.2638—10. Оценка безопасности контактирующих с пищевыми продуктами упаковочных
20. Зимина Т. М., Соловьев А. В., Гвоздев Ю. А. [и др.]. Разработки СПбГЭТУ в области технологии лабораторий-на-чипе // Биотехносфера. 2015. № 5 (41). С. 3-19.
21. Зимина Т. М., Соловьев А. В., Лучинин В. В. [и др.]. Принципы создания гибридных миниатюрных приборов для выращивания колоний микробных клеток на основе пористого анодного оксида алюминия // Нано- и микросистемная техника. 2013. № 12. С. 19-33.
22. Зимина Т. М., Лучинин В. В. Лаборатория-на-чипе. Микробиологическая экспресс-диагностика патогенных бактерий / / Наноиндустрия. 2013. № 45 (7). С. 38-47.
23. Зимина Т. М., Муратова Е. Н., Спивак Ю. М. [и др.]. Технологии формирования и применение нанослоев и нано-пористых композиций Al2O3 для микро- и нанотехники // Нано- и микросистемная техника. 2012. № 12. С. 15-24.
24. Жебрун А. Б., Ценева Г. Я., Хамдулаева Г. Н. [и др.]. Бактериологическая безопасность при дифтерии: от классических методов к современным миниатюрным устройствам специального микробиологического контроля // Биотехносфера. 2012. № 1 (19). С. 20-24.
25. Зимина Т. М. Миниатюрные аналитические системы биомедицинского назначения — лаборатории-на-чипе / / Биотехносфера. 2009. № 1. С. 11-17.
26. Патент РФ № 2522005. Способ выращивания колоний микробных клеток и устройство для его осуществления // Т. М. Зимина, А. В. Соловьев, Е. Н. Соколова [и др.] / 10.07.2014.
27. Nishi K., Isobe S.-I., Zhu Y., Kiyama R. Fluorescence-Based Bioassays for the Detection and Evaluation of Food Materials // Sensors. 2015. Vol. 15. P. 25831-25867.
28. Diekmann T., Fujikava E., Xhao X [et al.]. Structural in-vesigations of RNA and DNA aptamers in solution // Jurn. Cellular Biochemistry. 1995. Vol. 55. P. 56-66.
29. Grimm J. B., Heckman L. M., Lavis L. D. The Chemistry of Small-Molecule Fluorogenic Probes. In Fluorescence-Based Biosensors. Vol. 113. From Concepts to Applications (Progress in Molecular Biology and Translational Science); Morris, M. C. Ed. Academic Press: Oxford, UK, 2013. P. 1-34.
30. Jahnz M., Schwille P. Enzyme assays for confocal single molecule spectroscopy // Curr. Pharm. Biotechnol. 2004. N. 5. P. 221-229.
31. Arterburn J. B., Oprea T. I., Prossnitz E. R. [et al.] Discovery of selective probes and antagonists for G-protein-coupled receptors FPR/FPRL1 and GPR30 // Curr. Top. Med. Chem. 2009. N. 9. P. 1227-1236.
32. Barletta J. Applications of real-time immuno-polymerase chain reaction (rt-IPCR) for the rapid diagnoses of viral antigens and pathologic proteins // Mol. Aspects Med. 2006. Vol. 27. P. 224-253.
33. Medintz I. L., Uyeda H. T., Goldman E. R., Mattoussi H. Quantum dot bioconjugates for imaging, labelling and sensing // Nat. Mater. 2005. N. 4. P. 435-446.
34. Jeong-Yeol Yoon, B. Kim. Lab-on-a-Chip Pathogen Sensors for Food Safety // Sensors. 2012. N 12. P. 10713-10741.
35. Taitt C. R., Shriver-Lake L. C., Ngundi M. M., Ligler F. S. Array Biosensor for Toxin Detection: Continued Advances // Sensors. 2008. Vol. 8. P. 8361-8377.
36. Peters J., Cardall A., Haasnoot W., Nielen M. W. 6-Plex microsphere immunoassay with imaging planar array detection for mycotoxins in barley // Analyst. 2014. Vol. 139. P. 3968-3976.
37. Патент РФ RU 2337349. Способ определения биологического загрязнения воздуха и устройство для его осуществления // Т. М. Зимина, В. В. Лучинин, Ю. А. Гвоздев [и др.]. 11.04.2007.
38. Карасев В. А., Лучинин В. В. Ведение в конструирование бионических наносистем. 2011. М.: Физматлит. 472 с.
39. Bagheryan Z., Raoof J.-B., Golabi M., Turner A. P. F. Di-azonium-based impedimetric aptasensor for the rapid labelfree detection of salmonella typhimurium in food sample // Biosensors and Bioelectronic.
40. Зимина Т. М., Соловьев А. В., Лучинин В. В., Николаев Б. П. Экспресс-методы исследования размера, подвижности и агрегационной устойчивости магнитных наночастиц в микрокапиллярном чипе // Нано- и микросистемная техника. 2012. № 12. С. 30-35.
41. Лыньков Л. М., Мухуров Н. И. Микроструктуры на основе анодной алюмооксидной технологии. Минск: Бестпринт, 2002. 216 с.
42. Патент РФ 2498287. Кадмий-селективный электрод / Н. П. Оботурова, Д. Ю. Корнилов, С. Э. Хорошилова. Опубл. 10.11.2013. Бюл. 31.
43. Золотов Ю. А. Некоторые аспекты истории аналитической химии // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 2. Химия. 2002. Т. 43. № 2. C. 116-11.
44. Зимина А. В., Соловьев Ю. А., Гвоздев Н. О. [и др.]. Разработка сенсорно-актюаторных элементов гибридно-интегрируемых лабораторий-на-чипе для биомедицинского анализа (часть 1) // Нанотехнологии: разработка, применение — XXI век. 2016. № 2. C. 29-36.
45. Зимина Т. М., Соловьев А. В., Гвоздев Ю. А. [и др.]. Разработка сенсорно-актюаторных элементов гибридно-интегрируемых лабораторий-на-чипе для биомедицинского анализа (часть 2) // Нанотехнологии: разработка, применение — XXI век. 2016. № 3. C. 40-50.
46. Gvozdev Ju. A., Zimina T. M., Kraeva L. A., Hamdulaeva G. N. Image recognition of juvenile colonies of pathogenic microorganisms in the culture based microbiological method implemented in bioMEMS device for express species identification // Proc. of 2016 IEEE NW Russia Young Researchers In Electrical and Electronic Engineering Conference (ElCon-RusNW). 2016. St. Petersburg. P. 759-763.
47. International Commissary Corporation Issues Voluntary Recall of Marie Callender's Cheese Biscuit Mix Due To Possible Health Risk. URL: http://www.fda.gov/Safety/Recalls/ ucm511104.htm
48. Common Foodborne Pathogens. URL: http://www.foodin-dustrycounsel. com/commonfoodbornepathogens/
50. Зимина Т. М., Лучинин В. В., Муратова Е. Н. [и др.]. Принципы создания гибридных миниатюрных приборов для выращивания колоний микробных клеток на основе пористого анодного оксида алюминия // НМСТ. 2013. № 12. С. 19.
51. Зимина Т. М., Лучинин В. В. «Лаборатория на чипе». Микробиологическая экспресс-диагностика патогенных бактерий // Наноиндустрия. 2013. № 7 (45). С. 38-44.
