ASSIUT UNIVERSITY RESEARCHES FIBER OPTIC AND LIGHT SCATTERING SENSORS

Assiut university researches

FIBER OPTIC AND LIGHT SCATTERING SENSORS, COMPLIMENTARY APPROACHES IN RAPID DETECTION OF FOODBORNE PATHOGENS

الألياف البصريه والمجسات الضوئيه كتطبيقات تكامليه في الكشف السريع عن ميكروبات. الغذاء الممرضه

Maha Mohamed Usama abdelkhalek

مها محمد اسامة عبدالخالق

Talaat El-Khateib

طلعت الخطيب

Abstract:

The present study was designed to investigate implementation of two optical sensors, laser light scattering BARDOT and fiber optics for rapid and accurate detection of food borne pathogens, Salmonella, Listeria monocytogenes, and Shiga-toxin producing Escherichia coli O157:H7 from inoculated or naturally contaminated food samples. The BARDOT system proved to be an efficient technique for detection and identification of bacterial pathogens. The scatter finger printing patterns formed by the bacterial colonies represent a novel approach towards identification and classification of microorganisms. The presented results demonstrates that the system is not only capable differentiation at the genus level, but also at the species or serovars levels with very high accuracy. BARDOT successfully differentiated top ten Salmonella serovars from the most common non-Salmonella food contaminants with 99% classification accuracy onSalmonella specific XLD agar.in addition XLT4 agar show high 98.6 and 98.9 cross validation % between S. Enteritidis and Typhimurium serovar, respectively. using scatter image library containing scatter signatures of 10 strains of each S. Enteritidis and Typhimurium. Generating differentiating pattern of colonies of L. monocytogenes from other Listeria species targeting shorter time and high accuracy.for that four different agar medium namely, MOX, MOXII, BLEA and BHI were tested, longer incubation required by both MOX, MOXII make them excluded. Comparing the classification accuracy of BHI and BLEA agar medium for differentiating pathogenic and non pathogenic Listeria spp. results reveals superiority of BHI on BLEA as Scatter patterns on BHI agar showed 97.9% classification accuracy for pathogenic Listeria compared to 99.7% for non-pathogenic species. while BLEA limited to 82.3%for pathogenic Listeria compared to 96% for non-pathogenic Listeria spp. SMAC agar provide an ideal media for identification of E. coli O157:H7 when present in sample contaminated with other contaminant classification accuracy reach 99.7. Multi-pathogen agar medium, SEL support growth of all Salmonella, E.coli and Listeria, generating unique pattern for each pathogen. Moreover shorter incubation time provided. As E. coli O157:H7 required 10-11 h on SEL compared to 11-12h on SMAC, Salmonella also was incubated only for 12-13h compared to 13-15h on XLT4 agar. Similarly, Listeria needed only 21-22h on SEL compared to 28-30 h on BLEA, and longer incubation on Mox. Fiber optic sensor can be used with enriched food samples for rapid detection of foodborne pathogens. PAb P66 and MAb 2D12 show strong reaction (22577.5 and 19855 pA) only with pathogenic Listeria spp compared to 3686 pA with non pathogenic spp. In addition the PAb P66 and MAb 2D12 showed a detection limit in the range of 102 cfu/ml. Similarly,PAb anti-Salmonella and 3238 combination results revealed specificity to of both S. Enteritidis and S. Typhimurium while Anti-Salmonella and MAb-2F11 combination make it S. Enteritidis specific combination cabable of differentiation between S. Enteritidis and S. Typhimurium. Testing BARDOT- Fiber optics as complementary approach for pathogen isolation from both naturally and artificially inoculated foods. techniques combination with mPCR confirmation successfully isolate (8%) Salmonella from 50 naturally contaminated whole bird chicken rinse samples tested. In summary, BARDOT and fiber optic sensor described in this study shows promising results for simultaneous detection of three pathogens from inoculated food samples in less than 24 h. also multiplex detection was facilitated by employing a multipathogen SEL for simultaneous growth of all three organisms., and the antibody combinations for specific detection ofeach from a food matrix.

الملخص:

تمثل مجسات التشتت الضوئي تقنيه ناجحه للكشف والتعرف علي الميكروبات المنقوله بواسطه الغذاء من خلال البصمه الضوئيه المبعثره لأنها تمثل طفره في التعرف علي الميكروبات اللتي تنتقل عن طريق الغذاء، النتائج أوضحت أنه من خلال هذه البصمه يمكننا تصنيف الميكروبات علي عدة مستويات نجحت مجسات التشتت الضوئي في تمييزعشرعترات للسالمونيلا المسببه لأحداث أعلي حالات للتسمم الغذائي من الملوثات الغذائيةغيرالسالمونيلا الأكثرشيوعا بنسبه 99% في المائه عن طريق البصمه الضوئيه المبعثره علي بيئة XLD أجار قدمت معدل تصنيف عالي عند انشاء مكتبه تشمل علي 10 عترات من كل من السالمونيلا، بيئة XLT4 Agarنجحت في تمييز البصمة الضوئية المبعثرة للسالمونيلا من السامونيلا 98.9 % و 98.6 توليد بصمه ضوئية مبعثره لتمييز الليستريا مونوسينوجين من الأنواع الليستيريا الأخرى تستهدف أقصروقت وبدقةعالية لذلك أستخدمت أربعة بيئات مختلفة،تم اختبارها وهي بيئه أجارMOXوMOXIIوBLA, وBHI طول فتره الحضانه أكتر من 48 ساعه أدت الي استبعاد MOX, MOXII مقارنة دقة التصنيف بين بيئه BHI و BLEللتمييز بين الليستيريا الممرضةوغيرالممرضة اوضحت النتائج انه باستخدام البصمه الضوئيه المبعثره ان بيئه BHIتتفوق في معدل التصنيف علي BELAحيث ان الاولي اظهرت دقه تصنيف 99.7٪ للأنواعالليستيرياالممرضة مقابل 97.7٪لليستيرياغيرالممرضة بينما تقتصر بي ال اي علي 82.3٪ عنالعدوىالليستيريامقابلعلى 96٪ الليستيرياغيرالممرضة أوضحت النتائج أن بيئه SMAC هي البيئه المثاليه لعزل وتمييز الايشيريشيا كولاي O157:H7 عندما تتوجد في عينات مختلطه بملوثات أخري بدقة تصنيف تصل إلى 99.7. كما أظهرت النتائج أن بيئهSEL أجار المستخدمه للكشف علي ميكروبات متعدده، تدعم نمو كل من السالمونيلا، ايشيريشياكولاي O157:H7 والليستيريا،وتوليد بصمة ضوئية فريده لكل منهم. وعلاوةعلى ذلك فتره حضانه تكون أقصر لكل منهم بالمقارنه باستخدام بيئه اجار مفرده لكل منهم . حيث ان السالمونيلا تتطلب 12 : 13 ساعة مقارنه 14 : 15 ساعه علي XLT4اما الليستيريا تتطلب 21 : 22 ساعه مقارنه الي 28 ساعه تحتاجها BLE او أكثر باستخدام MOX . تقنيه الألياف البصرية يمكن استخدامها مع عينات المواد الغذائية الكشف السريع عن مسببات الأمراض المنقولة بالغذاء حيث أنه بأستخدام (PAb P66 and MAb 2D12) تظهر تفاعل قوي فقط ( (22577.5 and 19855 pAمعا لليستيرياالممرضة بالمقارنةمع تفاعل ضعيف جداً (3686 pA ) مع الليستيريا غير الممرضة كما أظهرت حدالكشف في حدود 102خلية / مل. وبالمثل حيث اوضحت النتائج ان الجمع بين (PAb anti-Salmonella and 3238) يكشف عن وجود(السالمونيلا) بينما الجمع بين (Anti-Salmonella and MAb-2F11) بأستخدام الالياف البصريه يتفاعل بقوه في وجود (السالمونيلا Enteritidis) مقارنه بالتفاعل ضعيف مع (السالمونيلا Typhimurium) بأستخدام تقنيه الألياف البصريه مع مجسات التشتت الضوئي تمكن من الكشف عن مسببات الأمراض المنقولة بالغذاء في كل من العينات الملوثه طبيعيا أوالمحقونه بمسببات الأمراض اصطناعيا للتاكد من كفاءه طرق الكشف المستخدمه وتم عزل السالمونيلا بنسبه 8% من 50 عينه تم جمعها من مياه شطف عينات الدجاج التي تم اختبارها . ويلخص ما سبق أن الجمنع بين أستخدام تقنيه الألياف البصريه مع مجسات التشتت الضوئي يظهرنتائج واعدة للكشف عن مسببات الأمراض المنقولة بالغذاء في وقت قصير مقارنه باستخدام طرق اخري كما تم تسهيل الكشف عن وجود السالمونيلا والأيشيريشيا كولاي والليستيريا معامن خلال توظيف بيئة (ٍSEL) أجار وتركيبات الأجسام المضادة للكشف محدد من كل من مصفوفة الغذاء.