To prevent waterborne diseases, an efficient detection of Escherichia coli (E. coli) is required. The infectious disease of E. coli is spreading rapidly and the proliferation time of E. coli is short so rapid on-site detection is essential. To reduce the detection time, it is important to carry out the separation and detection simultaneously. Immuno-magnetic separation (IMS) separates target bacteria based on magnetic force, using magnetic nanoparticles (MNPs) conjugated with target bacteria. This method is frequently used for bacterial separation due to its simplicity and rapidity. After the IMS step, the free MNPs must be removed so that only the target bacteriaMNP complexes remain. Many studies have used bulky equipment such as syringe pumps and vacuum pumps to remove free MNPs. However, it is not appropriate for on-site detection due to the low portability. To overcome these drawbacks, we developed a new portable syringe-type device for colorimetric detection of E. coli using immuno-magnetic separation and filtration. By detecting the dark brown color of MNPs in E. coli–MNPs, the separation and detection of E. coli occur simultaneously, so that the operating time was saved. The main concept of this detection system is that free MNPs and E. coli–MNP complexes are separated by magnetic force during the immunomagnetic separation step and then free MNPs are removed from the syringe-type device and E. coli– MNP complexes are trapped on filtration membranes during the filtration step. After the conjugation of E. coli and MNPs, the whole process of detection occurred in one syringe with a handheld magnet and took approximately 40 min. During operation of the device, a plunger of a syringe is moved back and forth and a syringe is placed into a hollowed magnet so that it is easy for everyone to use. With increasing diameter of the detection hole from 1.5 $\phi$ to 6.0 $\phi$, the signal intensity showed a decreasing tendency. We also confirmed that the signal intensity decreases as the pore size of the filtration membrane increases to 400, 600, 800 and 1000 nm. When the concentration of E. coli increased, the signal intensity also increased and a concentration higher than $10^4$ CFU/mL can be detected in this system. We found that washing times during the filtration step increase the signal intensity and decrease the heterogeneity of the signal intensity. Lastly, as the IMS incubation time during the immunomagnetic separation increased from 1 to 10 min, the signal intensity increased. Nevertheless, the signal intensity showed a slightly decreased and saturated tendency after 10 min. In conclusion, we developed a portable, rapid, easy-to-use, syringe-type E. coli on-site detection device.
대장균 감염은 질환 악화 속도가 빠르고 대장균 생장에 요구되는 세대시간 역시 매우 짧아 신속한 검출이 필수적이다. 이에 대장균을 분리하는 과정과 이를 감지하는 과정을 동시다발적으로 가능하도록 하여 검출 시간을 줄이도록 하였다. 자성나노입자가 고유의 어두운 갈색을 띈다는 특성을 활용하여, 대장균-자성나노입자 복합체와 자성나노입자에 의하여 자기력으로 분리됨과 동시에 특유의 색을 띄어 비색 검출 역시 가능하도록 하였다. 본 연구의 대장균 검출 시스템의 주요 원리는 먼저 면역자성분리법으로 대장균-자성나노입자 복합체와 자성나노입자를 자기력을 기반으로 분리해낸 후 여과법으로 자성나노입자를 제거하여 여과막에 대장균-자성나노입자 복합체만 남도록 하는 것이다. 샘플 준비 과정 후의 전과정은 하나의 주사기형 소자에서 연속적으로 이루어졌으며 총 40분여분의 시간이 소요되었다. 또한 한 손에 들어오는 주사기와 자석 이외에는 추가 장비를 필요로 하지 않으며 두 소자 무게를 합하여도 100 g보다 적게 나가 높은 휴대성을 보였다. 작동 방식은 주사기의 밀대를 앞뒤로 움직이고 주사기를 속이 빈 자석 안에 끼우는 두 방식으로 높은 사용 범용성을 지니도록 하였다. 면역자성분리, 여과 그리고 육안 관찰까지 총 40여분의 시간이 소요되었다. 검출 구멍의 지름이 증가함에 따라서 신호의 세기가 감소함을 확인하였다. 또한 여과막의 기공이 400, 600, 800, 1000 nm 로 증가함에 따라 신호의 세기가 감소함을 확인하였다. 대장균의 농도는 증가함에 따라서 신호 세기 역시 증가하였고 대장균 농도는 $10^4$ CFU/mL 이상일 때 검출이 가능하게 나타났다. 여과 과정에서의 세척 횟수가 증가함에 따라서 신호 세기는 전체적으로 감소하는 경향성을 보였으며 관찰 구멍 내에서의 신호 세기의 균질성은 증가하였다. 마지막으로, 면역자성분리 과정에서의 배양 시간은 1분부터 10분까지 증가함에 따라 신호 세기가 증가하였으며 그 후로는 약간 감소하며 포화되는 경향을 보였다. 결론적으로 본 연구에서는 휴대성이 높으며, 신속하고 사용법이 쉬운 주사기형 대장균 현장 검출 소자를 개발하였다.
