该系统在商业新鲜农产品农场现场采集样品后一小时内即可提供 100% 准确的结果普渡大学农业与生物工程副教授 Mohit Verma 表示：“我们采用的方法是使用一种名为拟杆菌的粪便指标作为风险标记。”Verma 及其由 9 名博士后研究员、研究生和本科生组成的团队在《生物传感器和生物电子学》杂志上发表了他们的研究成果。Krishi 是一家初创公司，Verma 担任首席技术官，该公司正在通过普渡大学创新技术商业化办公室授权该技术。

纸基生物传感器可快速轻松地检测农产品农场的粪便污染

“我们的目标是评估新鲜农产品加工过程中可能存在哪些来自附近动物加工场或其他野生动物的风险，”Verma 说道。通常，这是通过测量病原体来实现的。如果作物中存在病原体，则将其丢弃。但检测低水平的病原体并遵守保质期短的产品的监管要求是一项挑战。

普渡大学的研究人员使用类似这样的塑料收集旗在新鲜农产品田地中收集生物气溶胶样本。图片来源：Jiangshan Wang/普渡大学

“据我们所知，这项工作首次演示了在生鲜农产品农场实施的便携式 LAMP 测试平台，”合著者在期刊文章中写道。

这篇新论文还完善了之前由主要作者王江山(今年在普渡大学获得农业和生物工程博士学位)和维尔马及其同事在《食品微生物学》杂志上发表的研究成果。

拟杆菌是一种存在于猪、家禽和牛的粪便中的细菌。与新鲜农产品有关的大多数食源性病原体(包括大肠杆菌和沙门氏菌)都源自肠道。

普渡大学团队在加利福尼亚州萨利纳斯市的一家商业生菜农场和印第安纳州西拉斐特市普渡大学动物科学研究与教育中心旁边的一块田地中测试了该系统。微生物样本是从放置在测试区域各处的塑料旗帜上收集的。

在 Verma 的实验中，用塑料片制成的小旗帜收集了一周的生物气溶胶样本。实验对比了现场和实验室的测试结果。所有旗帜都被带到实验室进行定量聚合酶链反应测试。“这可以让你测量 Bacteriodales，从而测量粪便污染的程度，”Verma 说。

但有了新的检测试剂盒，种植者可以在田间完成整个过程。该试剂盒由滴液器、纸基设备和加热成像仪组成。在擦拭收集旗后，他们将预装液体的滴液器放入其中，以分配特定体积的液体。

液体被分配到纸质装置中，这些装置含有检测样本中 DNA 所需的化合物。然后，纸质装置进入加热成像仪。一小时后，该装置显示存在多少 Bacteriodales。该检测提供定量测试结果，证实了种植者在目视检查后通常直觉地怀疑田地中正在发生的事情。

现场测试结果与实验室结果 100% 一致。测试样本的污染浓度有的非常低，有的非常高。Verma 指出，在现场测试中获取污染水平的全部变化是一项挑战，但这是正在进行的工作的一部分。

现场测试缺乏含有中等污染范围的样本，这会导致大多数不匹配。尽管如此，该检测方法每平方厘米只能检测到三个拟杆菌 DNA 拷贝。Verma 估计，涉及全范围污染的测试将与实验室测试的一致性达到 90% 以上。

拟杆菌含量低表明该地点风险低。含量高则表明需要采取预防措施。高污染水平是指在测试板上每平方厘米发现 1,000 个 DNA 拷贝，其中一个拷贝对应一个大类细菌的细胞。低污染水平是指每平方厘米 10 个拷贝。

“最大的限制是我们还不知道这些数字到底意味着什么，”维尔马说。“那中间值呢?我们要在哪里设定阈值?这是正在进行的工作的一部分，”他说。

主要作者 Wang 和农业与生物工程系博士生 Simerdeep Kaur 开发了检测试剂和纸质设备并进行了现场测试。韦尔登生物医学工程学院和埃尔莫尔家庭电气与计算机工程学院的合著者开发了加热成像仪。其他合著者协助进行现场测试准备和设备优化。

这项研究证明了 Verma 团队从实验室开发新事物到实地测试的能力。“不是每个人都能做到这一点，你绝对不能独自做到这一点。这就是你所看到的作者名单所表明的，”Verma 说。