Novel surface-enhanced Raman scattering probes for water safety applications

Abstract

Fresh produce safety is of great concern in the food industry, since its raw consumption and minimal processing in comparison to other food commodities, exacerbates the risks to become one of the leading sources of foodborne illnesses. As a result, there is a growing need to develop simple yet effective bacteriological identification assays, to ensure food safety and prevent outbreaks from contaminated produce. Worldwide, the utilized methods for the detection of foodborne pathogens in the food control and reference laboratories, relies mostly on methods validated by the International Organization for Standardization (ISO), applying minor adaptations among the different countries. In the specific case of United States, the standard employed by public health laboratories is the Bacteriological Analytical Manual of the United Stated Food and Drug Administration (FDA-BAM). Recently, the FDA Food Safety Modernization Act established the Produce Safety Rule named: Standards for the Growing, Harvesting, Packing, and Holding of Produce for Human Consumption. This rule specifies the microbiological water quality parameters for pre-harvesting and post-harvesting fresh products to ensure its safety and reduce the risk of pathogen contamination. Analysis are based on conventional microbiological methods that are time consuming, costly and require specialized training and equipment.

This study uses Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS) as a rapid assay resource for early bacterial detection in aqueous media. Mix cellulose esters (MCE) membrane disc filters were tested as viable SERS substrates for the analysis of Escherichia coli. (E. coli) and Staphylococcus aureus (S. aureus) as model foodborne bacteria. MCE membranes were rendered SERS active via physical vapor deposition of silver nanoparticles. Scanning electron microscopy was used to characterize the nanocomposite substrate, while optimal silver thickness in MCE membrane, was determined using benzenethiol, as standard reference material. Results shows that a 24.3 (±0.1) nm silver coating exhibit the best performance on the MCE substrates. Use of multivariate analysis techniques such as Partial Least Squares Discriminant Analysis (PLSDA) for the interpretation of the spectroscopic data enabled the successful and rapid identification of E. coli and S. aureus at the MCE surface. Partial Least Squares (PLS) and Support Vector Machines-Regression (SVM-R) analysis enable the quantification of the target microorganism at the 101 colony forming units per milliliter (CFU/mL) level. The results demonstrate that the use of silver-MCE membranes along with multivariate analysis are a viable tool for the rapid and effective detection of foodborne pathogens in water.

La inocuidad alimentaria de los productos frescos (frutas y vegetales) es de gran preocupación en la industria de alimentos, ya que, su consumo crudo y procesamiento mínimo, en comparación con otros grupos de alimentos, exacerba los riesgos de convertirse en una de las fuentes principales de enfermedades transmitidas por alimentos. Como resultado, hay una ascendente necesidad de desarrollar métodos de identificación bacteriológica simples, pero efectivos, para asegurar la inocuidad alimentaria y prevenir brotes relacionados a productos frescos contaminados. Alrededor del mundo, los métodos utilizados para la detección de patógenos transmitidos por alimentos en el control de alimentos y laboratorios de referencia, se basan principalmente en los métodos validados por la Organización Internacional de Normalización (ISO, por sus siglas en inglés), aplicando adaptaciones menores en los diferentes países. En el caso específico de Estados Unidos, el estándar empleado por los laboratorios de salud pública es el Manual Analítico Bacteriológico de la Administración de Alimentos y Medicamentos de Estados Unidos (FDA-BAM, por sus siglas en inglés). Recientemente, la Ley de Modernización de la Inocuidad de los Alimentos de la Administración de Alimentos y Medicamentos estableció la Regulación de Inocuidad para Productos Frescos llamada: Estándares de Cultivo, Recolección, Embalaje y Conserva Seguros de Frutas y Verduras Cultivadas para Consumo Humano. Esta regulación especifica los parámetros de calidad microbiológica del agua para la precosecha y postcosecha de productos frescos, para asegurar su inocuidad y reducir el riesgo de contaminación con patógenos. Los análisis son basados en métodos microbiológicos convencionales que consumen tiempo, son costosos y requieren entrenamiento y equipo especializado.

Este estudio utiliza la técnica de Dispersión Raman Amplificada por Superficie (SERS, por sus siglas en inglés), como un recurso de análisis rápido para la detección temprana de bacterias en un medio acuoso. Se probaron filtros de disco de membrana de una mezcla de ésteres de celulosa (MCE, por sus siglas en inglés), como sustratos SERS viables para el análisis de Escherichia coli (E. coli) y Staphylococcus aureus (S. aureus), como modelo de bacterias transmitidas por los alimentos. Las membranas de MCE se hicieron activas en SERS a través de la deposición física de vapor de nanopartículas de plata. Microscopía electrónica de rastreo se utilizó para caracterizar el sustrato nanocompuesto, mientras que el espesor óptimo de plata sobre las membranas se determinó utilizando bencenotiol como material de referencia estándar. Los resultados muestran que un espesor de 24.3 (±0.1) nm de revestimiento de plata exhibe el mejor rendimiento de los sustratos de MCE. La utilización de técnicas de análisis multivariable como: Análisis Discriminante de Mínimos Cuadrados Parciales (PLSDA por sus siglas en inglés) para la interpretación de la información espectroscópica, permite la identificación exitosa y rápida de E. coli y S. aureus en la superficie de las membranas de MCE. Los análisis de Mínimos Cuadrados Parciales (PLS, por sus siglas en inglés) y Máquina de Vectores de Soporte de Regresión (SVM-R, por sus siglas en inglés) permite la cuantificación de los microorganismos blanco a un nivel de 101 unidades formadoras de colonias por mililitro. Estos resultados demuestran que el uso de las membranas de MCE con plata, junto con el análisis multivariable es una herramienta viable para la detección rápida y efectiva de patógenos en agua.