Early on-site detection of bacteria is critical for preventing foodborne illness. Conventional immuno-magnetic separation (IMS) separates targeted bacteria using magnetic nanoparticles (MNPs) conjugated with target specific antibody. Even though it is a simple and rapid method, it still has a drawback that after magnetic separation, free MNPs should be distinguished from desired bacteria-MNP complexes. Recently, size-based separation methods to eliminate free MNPs from the bacteria-MNP complexes have been researched. How-ever, they still need well-trained experts and heavy equipment such as syringe pumps or vacuum pumps. Therefore, they are not appropriate for on-site detection. This paper suggests an on-site colorimetric E. coli detection system using magnetic separation and filtration. We employed an absorbent pad to give a capillary force driven flow for the filtration without heavy equipment. By using a wax-printed absorbent pad flow ve-locity could be controlled and therefore IMS and filtration steps could be achieved in one device continuous-ly. Hydrophobic wax-printed pattern plays two roles. Firstly, it guides flow of the sample to the unpatterned region so that signal is concentrated to the region after filtration. Secondly, it decreases the absorbent capaci-ty of the pad so that flow of the sample is slowed down. While flow is stopped magnetic separation occurs. Addition of absorbent pads to the bottom of the wax-printed absorbent pad increases absorbent capacity to start a flow. This flow through filtration membranes separates free MNPs and E. coli-MNP complexes based on their size. Free MNPs, smaller than the pore of the filtration membranes, pass through the membrane and are washed out. The desired E. coli-MNP complexes are left on the membrane since they are larger than the pore size. Therefore the dark brown color signal of MNP from E. coli-MNP complexes can be detected with the naked eye. The device consists of two chambers, filtration membranes (pore size 0.45 μm), a wax-printed absorbent pad and a magnet (50×25×25 mm) from top to bottom. We demonstrated that signal intensity increased with increasing E. coli concentration (4×103, 4×105, 4×107 CFU/mL). Untargeted bacteria, which was modeled with B. cereus, was reduced by aspiration in the magnetic separation step. Total time for the detection was 50 min. We demonstrated portable, fast, and easy to use E. coli detection system.
식중독을 예방하기 위해서는 초기 단계에서 박테리아를 검출하기 위한 현장 검출이 매우 중요하다. 기존의 면역자기분리법은 자성나노입자와 표적 박테리아에 결합하는 항체를 결합시킴으로써 원하는 박테리아를 분리해내는 방법이다. 이 방법은 빠르고 간단하지만, 1차적인 분리 이후에 박테리아에 결합하지 않은 자성나노입자와 박테리아-자성나노입자 복합체를 다시 분리해야만 한다는 단점을 지닌다.
이에 최근 결합하지 않은 자유 자성나노입자와 박테리아-자성나노입자 복합체를 크기를 기반으로 분리하는 방법이 연구되고 있다. 그러나 이러한 방법들 또한 시린지 펌프나 진공 펌프와 같은 실험실 수준의 장비를 필요로 하며, 이를 다루기 위한 전문가가 필요하다는 점에서 현장 검출에는 적합하지 않다.
이에 본 연구에서는 대장균의 현장 검출을 위한 자기력 기반 필터장치를 이용한 비색 분석 방법을 제시하고자 한다. 왁스 코팅된 흡수 패드를 사용함으로써 펌프와 같은 별도의 장비가 없이도 모세관 현상에 의한 샘플의 흐름을 유도하였다. 또한 왁스 코팅을 이용해 흡수 패드의 흡수력을 조절함으로써 샘플이 흐르는 속도를 조절할 수 있어 면역자기분리법과 크기 기반의 여과가 한 장치 내에서 연속적으로 이루어질 수 있었다. 여기서 소수성의 왁스로 코팅된 패턴은 두 가지 역할을 하였다. 첫째, 코팅되지 않은 패턴으로 샘플이 흡수됨으로써 신호가 그 구역에 집중될 수 있도록 가이드하는 역할을 하였다. 두 번째로, 소수성 코팅으로 인해 흡수 패드의 흡수능력이 감소하여 샘플이 흐르는 속도를 현저히 줄였다. 이처럼 샘플이 흐르는 속도가 거의 0에 가깝게 줄었을 때 면역자기분리 단계가 행해진다. 그 후에 코팅되지 않은 흡수 패드를 추가로 더하여 흡수능력을 증가시킴으로써 다시 샘플이 흐르도록 하였다. 이 흐름으로 인해 샘플이 여과막을 통과하면서 자유 자성나노입자와 박테리아-자성나노입자 복합체가 크기에 의해 분리된다. 여과막의 기공(.45 μm)보다 작은 크기인 자유 자성나노입자는 여과막을 통과하여 씻겨져 나가고, 이보다 큰 크기의 박테리아-자성나노입자복합체는 여과막에 걸리게 된다. 여과막에 걸린 박테리아-자성나노입자 복합체는 자성나노입자에 의해 짙은 갈색을 띠며, 이를 육안으로 관찰할 수 있었다.
장치는 위부터 아래 순서로 두 개의 챔버, 여과막, 왁스 코팅된 흡수 패드, 그리고 자석으로 이루어져 있다. 이 장치를 이용하여 대장균을 육안으로 검출할 수 있음을 확인하였으며, 대장균의 농도가 4×103, 4×105, 4×107 CFU/mL로 증가함에 따라 신호의 색깔이 짙어지는 것을 확인하였다. 검출을 원하지 않는 박테리아인 세레우스균이 샘플에 포함되어 있을 경우, 면역자기분리 단계 중 한 단계인 흡입을 통해 제거될 수 있었다. 대장균 검출에 소요되는 시간은 총 50분이었다. 결론적으로 본 연구에서는 휴대가 가능하고, 빠르며, 사용이 간편한 대장균 현장 검출 시스템을 개발하였다.
