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Laserwerkzeug zum Nachweis von Bakterienwachstum in verpackten Lebensmitteln

Forscher entwickeln ein neues, kostengünstiges, schnelles und genaues Laserwerkzeug, das Bakterienwachstum in verpackten Lebensmitteln oder medizinischen Blutkonserven erkennen kann, ohne deren Verpackung zu stören.
Die Forscher entwickeln ein neues, kostengünstiges, schnelles und genaues Laserwerkzeug, das Bakterienwachstum in verpackten Lebensmitteln erkennen kann, ohne die Verpackung öffnen und eine Probe entnehmen zu müssen.

Die Forscher - von der Zhejiang Normal University in China und der Universität Umeå in Schweden - beschreiben das Gerät und wie es auf zwei Arten von Bakterien getestet wurde Angewandte Optik.

Der Grund dafür, dass abgepackte Lebensmittel Haltbarkeits- und Haltbarkeitsdaten haben, besteht darin, das Risiko zu vermeiden, dass es aufgrund des Wachstums von Bakterien und anderen Mikroorganismen schlecht wird und Krankheiten verursacht.

Eine solche Vorsichtsmaßnahme bedeutet, dass Lebensmittel oft eine unnötig kurze Haltbarkeit haben. Ein besseres Verständnis des Wachstumsprozesses von Mikroorganismen - und dessen Erkennung - könnte dazu beitragen, die Verschwendung von Lebensmitteln und möglicherweise auch die Anzahl der Menschen, die eine Lebensmittelvergiftung erleiden, zu reduzieren, merken die Forscher an.

Ähnlich könnte in der Medizin ein Werkzeug, das Bakterienwachstum schnell und nicht-invasiv nachweisen könnte, Zeit sparen und die Verschwendung von wertvollen medizinischen Ressourcen reduzieren.

Zum Beispiel ist es wichtig, die Qualität von Blutproben schnell und genau messen zu können. Wenn sie kontaminiert sind, müssen sie möglicherweise verworfen und wiederholt werden. Auch bakterielles Wachstum in medizinischen Blutvorräten - obwohl selten - bedeutet, dass das Blut weggeworfen werden muss. Und wenn es nicht erkannt wird, besteht das Risiko, Patienten zu infizieren und möglicherweise zu sterben.

Ein schnelles Screening-Tool bedeutet, dass ein größerer Prozentsatz des Blutes direkt auf mögliche bakterielle Kontamination getestet werden könnte.

Die optische Spektrometrie ist empfindlich und liefert sofortige Ergebnisse

Mikroorganismen sind jedoch komplexe Wesen - ihr Wachstum wird von vielen Faktoren bestimmt. Dies macht es schwierig abzuschätzen, wie viele Bakterien in versiegelten Lebensmittel- oder Blutpackungen enthalten sein könnten.

Für ihre Studie konzentrierte sich das Team auf die Tatsache, dass Bakterien bei ihrer Vermehrung Gas abgeben - zum Beispiel Kohlendioxid. Der Erstautor Jie Shao, Assistenzprofessor am Institut für Informationsoptik in Zhejiang, sagt:

"Durch die Beurteilung der Menge an [Kohlendioxid] innerhalb einer bestimmten geschlossenen Kammer - Flasche oder Beutel - ist es möglich, das mikrobielle Wachstum zu beurteilen."

Die Technologie, die vielversprechend für die genaue Messung der Gaszusammensetzung ist, ist die optische Spektrometrie. Es ist hochempfindlich, liefert sofortige Ergebnisse und kann nichtinvasiv verwendet werden, z. B. durch Glas oder die durchsichtigen Folien und Kunststoffe, die zum Verpacken von Lebensmitteln verwendet werden.

Für ihre Studie konzentrierten sich die Forscher auf eine bestimmte optische Technologie namens "abstimmbare Diodenlaserabsorption" oder TDLAS. Sie haben sich entschieden, es zu untersuchen, weil es alle technischen Anforderungen eines Messwerkzeugs vereint "mit einer einfachen Handhabung und niedrigen Kosten", erklärt Prof. Shao.

TDLAS kann Konzentrationen verschiedener Gase - einschließlich Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasser und Methan - in einer Mischung messen. Mithilfe von abstimmbaren Diodenlasern wird ihre Anwesenheit mithilfe der Absorptionsspektrometrie gemessen - eine Technik, die Verbindungen aus der spezifischen und einzigartigen Art und Weise erkennen kann, wie ihre Elemente unterschiedliche Wellenlängen des Lichts absorbieren.

Das TDLAS-Gerät, das das Team entwickelt, umfasst eine abstimmbare Laserdiode als Lichtquelle, eine Strahlformungsoptik, einen Ort zum Tragen der Probe sowie Empfangsoptik und einen oder mehrere Detektoren.

Erkennt Gase in Teilen pro Milliarde

Das Gerät arbeitet nach dem Prinzip, dass, wenn Sie eine Probe mit Licht beleuchten, die verschiedenen Gase, die sie enthält, jeweils eine bestimmte Wellenlänge absorbieren.

Indem die abstimmbaren Dioden unterschiedliche Wellenlängen emittieren, wenn ein Gas in der Probe eine bestimmte Wellenlänge absorbiert, bestimmt die Vorrichtung die Menge an vorhandenem Gas aufgrund der Verringerung der gemessenen Signalintensität (des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses).

Die Kombination der schnellen Abstimmungstechnik mit einer Methode, die als "Wellenlängenmodulation" oder WM bezeichnet wird, macht TDLAS noch empfindlicher. Diese Technik wird "WM-TDLAS" genannt.

Laut Prof. Shao ist die Technologie besonders attraktiv, weil sie Gase in sehr geringen Konzentrationen erkennen kann - in der Größenordnung von Teilen pro Milliarde.

"Abgesehen von der Konzentration", fügt Shao hinzu, "ist es auch möglich, andere Eigenschaften des Gases unter Beobachtung zu bestimmen - Temperatur, Druck, Geschwindigkeit und Massenfluss."

In ihrer Arbeit beschreibt das Team, wie sie den WM-TDLAS-Ansatz auf zwei Arten von Bakterien getestet haben, Staphylococcus aureus und Candida albicansund stellte fest, dass es "hohe Signal-Rausch-Verhältnis-Daten von Bakterien produzieren kann, die in engen Räumen gewachsen sind und begrenzten Mengen an Nährstoffen ausgesetzt sind".

Prof. Shao sagt, dass die Methode eine Echtzeitanalyse liefern kann, und notiert:

"Obwohl wir erwartet haben, dass die WM-TDLAS-Technik für die Beurteilung des Bakterienwachstums geeignet sein würde, haben wir diese Genauigkeit nicht erwartet."

Das Team plant nun, die Technik zur Erkennung von mikrobiellem Wachstum in einer Reihe anderer Anwendungen außer Lebensmittel- und Medikamentenbedarf zu entwickeln.

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