Lab-On-A-Chip (LOC) Technology Applications in Food Microbiology

Abstract

Lab-on-a-chip (LOC) systems, which have emerged in the last two decades and used for fluid processing in a micro-channel structure at microliter levels, are alternatives to conventional methods. Because of the unique properties of microstructures, LOC systems can make complex analyses more efficient with lower cost, energy and chemical consumption than conventional systems, and they become a valuable option for many applications such as biomedical, food, chemistry, medicine, pharmacy and agriculture in these aspects. In addition, these systems are suitable for automation and have a potential to be portable. Especially in some cases of food industry, obtaining analysis results quickly has a great importance for food plants. For this reason, recently developed LOC technology has become important in food industry because of their features such as quick response in microbiological analysis, no requirement for skilled personnel, and small sample needed. In this study, principles of LOC devices, integrated systems used with polymerase chain reaction (PCR), flow cytometry, biosensors and application of these systems in food microbiology are reviewed.

Keywords

• Lab-on-a-chip,Food microbiology,Microfluidic systems,Rapid microbiological methods

Çip-Üstü-Laboratuvar (ÇÜL) Teknolojisinin Gıda Mikrobiyolojisindeki Uygulamaları

Abstract

Son 20 yılda ortaya çıkan mikro-kanal yapılarında mikro-litreler mertebesinde akışkanın proses edilmesi için kullanılan çip-üstü-laboratuvar (ÇÜL) sistemleri konvansiyonel yöntemlere bir alternatif oluşturmaktadır. Mikro-yapıların kendine has özelliklerinden dolayı ÇÜL sistemleri, karmaşık analizleri geleneksel yöntemlerle karşılaştırıldığında daha düşük maliyette, daha düşük enerji, daha düşük kimyasal sarfiyatı ile daha verimli bir şekilde yapabilmekte ve bu yönleriyle birçok alanda (biyomedikal, gıda, kimya, tıp, eczacılık, tarım vb.) çok değerli bir seçenek oluşturmaktadır. Ayrıca bu sistemler otomasyona uygundur ve taşınabilir olma potansiyelleri vardır. Özellikle gıda endüstrisinde bazı durumlarda analiz sonuçlarının hızlı alınabilmesi işletme için büyük önem taşımaktadır. Çip-üstü laboratuvar teknolojisi bu nedenle gıda endüstrisinde özellikle mikrobiyolojik analizlerde hızlı sonuç vermesi, uzman personel gerektirmemesi, az örneğe ihtiyaç duyması vb. özellikleri ile son zamanlarda oldukça önem taşımaktadır. Bu çalışmada, ÇÜL cihazlarının çalışma prensipleri, polimeraz zincir reaksiyonu (PZR), akış sitometrisi ve biyosensörler ile birlikte kullanıldığı entegre sistemler ve bu sistemlerin gıda mikrobiyolojisindeki uygulamaları anlatılmıştır.

Keywords

• Çip-üstü-laboratuvar,Gıda mikrobiyolojisi,Mikro-akışkan sistemler,Hızlı mikrobiyolojik yöntemler

References

1. [1] Wen-Ming, L., Li, L., Li, R., Jian-Chun, W., Qin, T., Xue-Qin, W., Jin-Yi, W., 2012. Diversification of microfluidic chip for applications in cell based bioanalysis. Chinese Journal of Analytical Chemistry 40(1): 24-31.
2. [2] Ürkmez, B., 2014a. Minyatür Laboratuvarlar-2. http://www.acikbilim.com/2014/02/dosyalar/minyatur-laboratuvarlar-2.html, Erişim Tarihi: 21.08.2016.
3. [3] Erickson, D., Li, D., 2004. Integrated microfluidic devices. Analytica Chimica Acta 507: 11-26.
4. [4] Ürkmez, B., 2014b. Minyatür Laboratuvarlar-1. http://www.acikbilim.com/2014/01/dosyalar/minyatur-laboratuvarlar-1.html, Erişim Tarihi: 23.08.2016.
5. [5] Yoon, J., Kim, B., 2012. Lab-on-chip pathogen sensors for food safety. Sensors 12: 10713-10741.
6. [6] Liu, W., Zhu, L., 2005. Environmental microbiology-on-a-chip and its feature impacts. Trends in Biotechnology 23(4): 174-179.
7. [7] Mortari, A., Lorenzelli, L., 2014. Recent sensing technologies for pathogen detection in milk: a review. Biosensors and Bioelectronics 60: 8-21.
8. [8] Sakamoto, C., Yamaguchi, N., Yamada, M., Nagase, H., Seki, M., Nasu, M., 2007. Rapid quantification of bacterial cells in potable water using a simplified microfluidic device. Journal of Microbiological Methods 68: 643-647.

9. [9] Skurtys, O., Aguilera, J., M., 2008. Applications of microfluidic devices in food engineering. Food Biophysics 3: 1-15.
10. [10] Timur, S., 2010. Protein Analitiği Bölüm: Protein Chip’leri, Editörler A., Telefoncu, A. Kılınç, Ege Üniversitesi Basımevi, Bornova, İzmir.
11. [11] Anonymous, 2015. Lab-on-a-chip. http://www.epa.gov/radiation/docs/cleanup/nanotechnology/chapter-3-lab-on-a-chip.pdf, Erişim Rarihi: 21.05.2015.
12. [12] Guo, L., Feng, J., Fang, Z., Xu, J. and Lu, X., 2015. Application of microfluidic ”lab-on-a-chip” for the detection of mycotoxins in foods. Trends in Food Science & Technology 46: 252-263.
13. [13] Anonymous, 2016a. Polymerase Chain Reaction (PCR). http://www.ncbi.nlm.nih.gov/probe/docs/techpcr/, Erişim Tarihi: 30.08.2016.
14. [14] Anonymous, 2016b, Thermo scientific Standard PCR protocol reaction set up.
15. [15] Koop, M.U., de Mello, A.J., Manz, A., 1998. Chemical amplification: Continuous-flow PCR on a chip. Science 280: 1046-1047.
16. [16] Li, Y., Zhang, C., Xing, D., 2011. Integrated microfluidic reverse transcription-polymerase chain reaction for rapid detection of food or waterborn pathogenic rotavirus. Analytical Biochemistry 415: 87-96.
17. [17] Delibato, E., Gattuso, A., Minucci, A., Auricchio, B., De Medici, D., Toti, L., Castagnola, M., Capoluongo, E., Gianfranceschi, M.V., 2009. PCR experion automated electrophoresis system to detect Listeria monocytogenes in foods. Journal of Separation Science 32: 3817-3821.
18. [18] Jin, S., Yin, B., Ye, B., 2009. Multiplexed bead- based mesofluidic system for detection of food-borne pathogenic bacteria. Applied and Environmental Microbiology 75(21): 6647-6654.
19. [19] Sayad, A.A., Ibrahim, F., Uddin, S.M., Pei, K.X., Mohktar, M.S., Madou, M., Thong, K.L., 2016. A microfluidic lab-on-a-disc integrated loop mediated isothermal amplification of foodborne pathogen detection. Sensors and Actuators B: Chemical 227: 600-609.
20. [20] Zourob, M., Elwary, S., Turner, A., 2008. Principles of Bacterial Detection: Biosensors, Recognition Receptors and Microsystems. Part IV Chapter 33: Microfabricated Flow Cytometers for Bacterial Detection. Edited by, S., Yang, G., Lee, Springer Science and Business Media, USA, 869-890p.
21. [21] Kang, Y., Wu, X., Wang, Y., Li, D., 2008. On-chip fluorescence-activated particle counting and sorting system. Analytica Chimica Acta 626: 97-103.
22. [22] Karaboz, İ, Kayar, E., Akar, S., 2008. Flow sitometri ve kullanım alanları. Elektronik Mikrobiyoloji Dergisi 6(2): 1-18.
23. [23] Yamaguchi, N., Ohba, H., Nasu, M., 2006. Simple detection of small amounts of Pseudomonas cells in milk by using a microfluidic device. Letters in Applied Microbiology 43: 631-636.
24. [24] Fernandes, A.C., Duarte, C.M., Cardoso, F.A., Bexiga, R., Cardoso, S., Freitas, P.P., 2014. Lab-on-chip cytometry based on magnetoresistive sensors for bacteria detection in milk. Sensors 14: 15496-15524.
25. [25] Yıldırım, A., Bardakçı, F., Karataş, M., Tanyolaç, B., 2010. Moleküler Biyoloji. Bölüm 16: Biyoteknoloji ve Biyoinformatik, Editörler B., Tanyolaç, H., B., Kaya, S., Soya, C. Akkale, Nobel Yayın Dağıtım, Ankara, Türkiye, 601s.
26. [26] Leonard, P., Hearty, S., Brennan, J., Dunne, L., Quinn, J., Chakraborty, T., O’Kennedy, R., 2003. Advances in biosensors for detection of pathogens in food and water. Enzyme and Microbial Technology 32: 3-13.
27. [27] Erkmen, O., 2011. Gıda Mikrobiyolojisi. 7. Kısım Bölüm 26: Hızlı Mikrobiyolojik Gıda Analiz Yöntemleri, Editörler: F., Y., Ekinci, A., Sofu, Efil Yayınevi, Ankara, Türkiye, 484 s.
28. [28] Lafleur, J.P., Jönsson, A., Senkbeil, S., Kutter, J., P., 2016. Recent advances in lab-on-a-chip for biosensing applications. Biosensors and Bioelectronics 76: 213-233.
29. [29] Pöhlmann, C., Wang, Y., Humenik, M., Heidenreich, B., Gareis, M., Sprinzl, M., 2009. Rapid, specific and sensitive electrochemical detection of foodborne bacteria. Biosensors and Bioelectronics 24: 2766-2771.
30. [30] Carmen Morant-Mińana, M., Elizalde, J., 2015. Microscale electrodes integrated on COP for real sample Camplyobacter spp. detection. Biosensors and Bioelectronics 70: 491-497.
31. [31] Luka, G., Ahmadi, A., Najjaran, H., Alocilja, E., DeRosa, M., Wolthers, K., Malki, A., Aziz, H., Althani, A., Hoorfar, M., 2015. Microfluidics integrated biosensors: a leading technology towards lab-on-a-chip and sensing applications. Sensors 15: 30011-30031.
32. [32] www.genmarkdx.com, Erişim Tarihi: 10.05.2017.
33. [33] http://www.perkinelmer.com/catalog/category/id/labchip%20systems, Erişim Tarihi: 10.05.2017.
34. [34] http://www.nugeninc.com/nugen/index.cfm/products/msp/, Erişim Tarihi: 10.05.2017.
35. [35] www.vereduslabs.com, Erişim tarihi: 10.05.2017.
36. [36] www.genomics.agilent.com, Erişim tarihi: 10.05.2017.
37. [37] Streets, A.M., Huang, Y., 2013. Chip in a lab: Microfluidics for next generation life science research, Biomicrofluidics 7: (011302) 1-23.
38. [38] Çetin, B., Özer, M.B., Solmaz, M.E., 2014. Microfluidic bio-particle manipulation for biotechnology, Biochemical Engineering Journal 92: 63-82.
39. [39] Yeşil-Çeliktaş, Ö., Çetin, B., Yıldırım, E., 2016. Mikroakışkan Sistemlere Yönelik Gelecek Tahminleri. Mikroakışkan Teknolojilerin Temelleri ve Uygulamaları, Editör: Ö., Yeşil Çeliktaş, Ege Üniversitesi Yayınevi, Bornova, İzmir.