تشخیص سرووار O157:H7 باکتری اشریشیاکلای با استفاده از نانوحسگر زیستی مبتنی بر توری Si3N4

راشکی, مهدی; رخشانی, محمد رضا

doi:10.22034/nfvm.2022.375184.1163

تشخیص سرووار O157:H7 باکتری اشریشیاکلای با استفاده از نانوحسگر زیستی مبتنی بر توری Si3N4

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

¹ استادیار، گروه فیزیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه زابل، زابل، ایران

² استادیار، گروه مهندسی برق، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه زابل، زابل، ایران

10.22034/nfvm.2022.375184.1163

چکیده

برای شناسایی باکتری‌ها روش‌های متفاوتی وجود دارد. یکی از راه‌های شناسایی، استفاده از نانوحسگرهای زیستی است. این نانوحسگرها با توجه به نوع تشخیص غیر تهاجمی و سریع، در سال‌های اخیر به‌طور وسیعی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. نانوحسگرهای زیستی که بر اساس مواد دی‌الکتریک طراحی شده‌اند، به دلیل پهنای بسیار باریک پرتوهای انعکاسی حساسیت خیلی خوبی در تشخیص انواع باکتری‌ها دارند. در این مقاله برای تشخیص زیرسرووار O157:H7 باکتری اشریشیاکلای از حسگر مبتنی بر نانو توری سیلیکون نیترید استفاده شده است. شبیه‌سازی‌ها نشان می‌دهد طیف بازتاب موج الکترومغناطیسی در ساختار پیشنهادی پهنای بسیار باریک nm6 دارد و ضریب شایستگی و حساسیت اندازه‌گیری شده این حسگر وقتی در معرض این باکتری قرار می‌گیرد به ترتیب RIU^-15/17 و nm/RIU105 به‌دست آمده است که نشان‌دهنده دقت و حساسیت زیاد این حسگر زیستی است. از این حسگر می‌توان برای تشخیص باکتری‌هایی که ضریب شکست‌شان در محدوده این باکتری است، استفاده نمود.

کلیدواژه‌ها

20.1001.1.26454491.1401.5.2.11.2

عنوان مقاله [English]

E. coli bacteria Detection O157:H7 Using Si3N4 based Nano Biosensors

نویسندگان [English]

Mahdi Rashki ¹
Mohammad Reza Rakhshani ²

¹ Department of Physics, Faculty of Basic Sciences, University of Zabol, Zabol, Iran

² Department of Electrical Engineering, Faculty of Engineering, University of Zabol, Zabol, Iran

چکیده [English]

There are different methods to identify bacteria. One of the ways of identification is the use of nano bio sensors. Recently, these nano bio sensors have been widely used due to their non-invasive and rapid detection. The silicon nitride-based bio sensor, which is designed based on dielectric materials, has a very high sensitivity in detecting bacteria. In this paper, we have used nano bio sensor based on silicon nitride grating to detect Escherichia coli serotype O157:H7. The simulations show that the electromagnetic wave reflection spectrum in the proposed structure has a very narrow width of 6nm, and the measured FOM (Figure of Merit) and sensitivity of this bio sensor when exposed to this bacterium are 17.5RIU^-1 and 105nm/RIU has been obtained, respectively, which shows the high accuracy and sensitivity of this bio sensor. This sensor can be used to detect bacteria whose refractive index is within the range of this bacteria.

کلیدواژه‌ها [English]

Identifying serotype O157:H7 E. coli Bacteria
Nano Biosensors
Silicon Nitride based Sensor

مراجع

Tenaillon O, Skurnik D, Picard B, Denamur E. The population genetics of commensal Escherichia coli. Nature reviews microbiology. 2010 Mar; 8(3):207-17.
Singleton P. Bacteria in biology, biotechnology and medicine. John Wiley & Sons; 2004.
George M. Garrity, "The Gammaproteobacteria. Bergey's Manual of Systematic Bacteriology". 2B (2nd ed.), 2005, New York: Springer. pp. 1108. ISBN 978-0-387-24144-9. British Library no. GBA561951.
Fotadar U, Zaveloff P, Terracio L. Growth of Escherichia coli at elevated temperatures. Journal of Basic Microbiology: An International Journal on Biochemistry, Physiology, Genetics, Morphology, and Ecology of Microorganisms. 2005 Oct; 45(5):403-4.
Bentley R, Meganathan R. Biosynthesis of vitamin K (menaquinone) in bacteria. Microbiological reviews. 1982 Sep; 46(3):241-80.
Vogt RL, Dippold L. Escherichia coli O157: H7 outbreak associated with consumption of ground beef, June–July 2002. Public health reports. 2005 Mar; 120(2):174-8.
Lee DS, Lee SJ, Choe HS. Community-acquired urinary tract infection by Escherichia coli in the era of antibiotic resistance. BioMed research international. 2018 Sep 26; 2018.
Zibaii MI, Kazemi A, Latifi H, Azar MK, Hosseini SM, Ghezelaiagh MH. Measuring bacterial growth by refractive index tapered fiber optic biosensor. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology. 2010 Dec 2; 101(3):313-20.
Migula W.: Bacteriaceae (Stabchenbacterien). In: A. Engler and K. Prantl (eds): Die Naturlichen Pfanzenfamilien, W. Engelmann, Leipzig, Teil I, Abteilung Ia, 1895, pp. 20–30.
Castellani A. and Chalmers A.J.: Manual of Tropical Medicine, 3rd ed. Williams Wood and Co. New York, 1919.
George M. Garrity, ed. (July 26, 2005) [1984(Williams & Wilkins)]. The Gammaproteo bacteria. Bergey's Manual of Systematic Bacteriology. 2B (2nd ed.). New York: Springer. pp. 1108. ISBN 978-0-387-24144-9. British Library no. GBA561951.
Madigan MT, Martinko JM, Parker J. Brock biology of microorganisms. Upper Saddle River, NJ: Pearson Prentice Hall; 2006, ISBN 0-13-196893-9.
Fotadar U, Zaveloff P, Terracio L. Growth of Escherichia coli at elevated temperatures. Journal of Basic Microbiology: An International Journal on Biochemistry, Physiology, Genetics, Morphology, and Ecology of Microorganisms. 2005 Oct;45(5):403-4.
Darnton NC, Turner L, Rojevsky S, Berg HC. On torque and tumbling in swimming Escherichia coli. Journal of bacteriology. 2007 Mar 1; 189(5):1756-64.
Angelopoulou M, Petrou P, Misiakos K, Raptis I, Kakabakos S. Simultaneous Detection of Salmonella typhimurium and Escherichia coli O157: H7 in Drinking Water and Milk with Mach–Zehnder Interferometers Monolithically Integrated on Silicon Chips. Biosensors. 2022 Jul 11; 12(7):507.
Liu Y, Chin LK, Ser W, Ayi TC, Ho WM, Yap PH, Leprince-Wang Y, Bourouina T. A single living bacterium's refractive index measurement by using optofluidic immersion refractometry. 17th International Conference on Miniaturized Systems for Chemistry and Life Sciences 2013 Oct.
Balaev AE, Dvoretski KN, Doubrovski VA. Refractive index of Escherichia coli cells. InSaratov Fall Meeting 2001: Optical Technologies in Biophysics and Medicine III 2002 Jul 16 (Vol. 4707, pp. 253-260). SPIE.
Zordan MD, Grafton MM, Acharya G, Reece LM, Cooper CL, Aronson AI, Park K, Leary JF. Detection of pathogenic E. coli O157: H7 by a hybrid microfluidic SPR and molecular imaging cytometry device. Cytometry Part A: The Journal of the International Society for Analytical Cytology. 2009 Feb; 75(2):155-62.
Song L, Zhang L, Huang Y, Chen L, Zhang G, Shen Z, Zhang J, Xiao Z, Chen T. Amplifying the signal of localized surface plasmon resonance sensing for the sensitive detection of Escherichia coli O157: H7. Scientific reports. 2017 Jun 12; 7(1):1-8.
Ali MA, Eldin TS, Moghazy GE, Tork IM, Omara II. Detection of E. coli O157: H7 in feed samples using gold nanoparticles sensor. Int. J. Curr. Microbiol. App. Sci. 2014; 3(6):697-708.