Escherichia coli tespitine yönelik kağıt tabanlı elektrokimyasal biyosensör geliştirilmesi

Abstract

Gıda güvenliğinin sağlanması için hızlı, ekonomik ve çevre dostu teknolojilerin kullanılması sürdürülebilir tarımın desteklenmesi açısından öneme sahiptir. Escherichia coli; gıda güvenliğini tehdit eden, gıdalarda bulunmasına izin verilmeyen, aranması zorunlu bir patojendir. Bu amaçla; sayım yöntemleri veya bazı moleküler temelli analizler uygulanmaktadır. Ancak bu yöntemler uzun zaman almakta, maliyetli, uygun laboratuvar ortamı, alanında uzman kişiler ile ekipman gerektirmektedir. Ayrıca, fazla kimyasal kullanımı gerektirmesi nedeniyle de sürdürülebilir olmamaktadır. Bununla birlikte hatalı sonuçlar alınabilmekte ya da çok düşük konsantrasyonların belirlenmesinde sorunlar yaşanabilmektedir. Bu doğrultuda E. coli tayini için doğruluğu yüksek, hızlı, kullanım kolaylığı bulunan ve hassas analitik cihazlar olan biyosensör teknolojilerinin kullanımı avantajlı olmaktadır. Bu çalışma kapsamında E. coli tespitine yönelik; kağıt tabanlı, ucuz, esnek ve tek kullanımlık elektrokimyasal biyosensör geliştirilmiştir. Biyosensörün E. coli’ye spesifik olması için poliklonal E. coli antikoru tercih edilmiş olup; iletkenliği arttırmak için de çok duvarlı karbon nanotüp (MWCNT) kullanılmış ve antikor ile MWCNT kovalent bağ ile bağlanarak konjugat olarak uygulanmıştır. Optimizasyon çalışmaları sonucunda; fotoğraf kağıdına 4B kalem ucuyla yazdırma/kesme cihazında yazdırılan kağıtlarla esnek elektrotlar hazırlanmıştır. Çalışma sonucunda; 100 -107 KOB/mL tayin aralığı ve 26 KOB/mL LOD değerine sahip biyosensör geliştirilmiştir. Geliştirilen biyosensör; Bacillus subtilis, Saccharomyces cerevisiae, Lactiplantibacillus plantarum suşları ve tüm suşların karışık kültür olarak bulunduğu farklı kültür ortamlarında da başarılı bir şekilde E. coli’yi tespit edebilmiştir. Gıda matrisi olarak elma suyu kullanılmış olup; gerçek numune denemelerinde de başarılı sonuçlar alınmıştır. Geliştirilen biyosensör, ticari kültür yanında gıdadan izole edilen E. coli’yi de tespit edebilmiştir. Bu çalışma kalemle yazma yöntemiyle E. coli tespitine yönelik kağıt tabanlı biyosensörün geliştirildiği ilk çalışma olup; gelecek çalışmalara öncülük etmesi beklenmektedir.

The use of fast, economical and environmentally friendly technologies to ensure food safety is important in terms of supporting sustainable agriculture. Escherichia coli is a pathogen that threat to food safety, prohibited in food products and must be monitored. For this purpose; counting methods or some molecular-based analyses can be applied. However, these methods are time-consuming, expensive, and require suitable laboratory conditions, experts in their fields and equipment. Also, they are not sustainable due to the need for excessive chemical use. Additionally, they can yield inaccurate results or encounter difficulties in detecting very low concentrations. Therefore, biosensor technologies, which are highly accurate, fast, user-friendly, and sensitive analytical devices, offer advantages for E. coli detection. In this study, a paper-based, cost effective, flexible and disposable electrochemical biosensor for detecting E. coli was developed. A polyclonal E. coli antibody was preferred for the biosensor to be specific to E. coli; a multi-walled carbon nanotube (MWCNT) was used to increase the conductivity and the antibody and MWCNT were covalently bonded and applied as a conjugate. As a result of optimization studies, flexible electrodes were prepared using photographic paper printed with a 4B pencil tip and a cutting/printing device. As a result of the study, a biosensor with a detection range of 100–107 CFU/mL and a LOD value of 26 CFU/mL was developed. Additionally, the biosensor successfully detected E. coli in various culture environments, including cultures of Bacillus subtilis, Saccharomyces cerevisiae, Lactiplantibacillus plantarum, and mixed cultures of all strains. Apple juice was used as the food matrix and successful results were also obtained in real sample trials. The biosensor was able to detect E. coli isolated directly from food samples, in addition to commercial cultures. This study is the first to develop a paper-based biosensor for E. coli detection using a pencil-drawing method and it is expected to lead future studies.