Avec l'augmentation de la population au cours des dernières décennies, l'industrie alimentaire s'est développée pour répondre à la demande croissante et nourrir une population en pleine croissance. Les progrès technologiques et l'utilisation croissante des machines et de la robotique dans la production alimentaire ont multiplié la production alimentaire. Cette augmentation s'accompagne d'un risque croissant de contamination par des agents pathogènes alimentaires. Les trois agents pathogènes les plus courants responsables d'intoxications alimentaires sont E. coli, Salmonella et Listeria. Voici quelques exemples d'épidémies pour chacun d'entre eux :
- L’épidémie de Listeria causée par des cantaloups contaminés en 2011 a causé 29 décès1.
- L'épidémie de salmonellose survenue en 2008-2009, causée par la pâte d'arachide et les installations de pâte d'arachide appartenant à Peanut Corporation of America, a touché 46 États et le Canada, entraînant 714 cas d'intoxication alimentaire1.
- Épidémie d'E.coli impliquant des épinards en sac en 2006 affectant 22 États, 238 infections et 5 décès1. Infection à E.coli de la laitue romaine au Minnesota affectant 40 personnes dans 16 États2.
La figure 1 montre la salmonelle, un agent pathogène qui est une maladie grave d'origine alimentaire.
Figure 1 : Salmonella dans les aliments
La figure 2 est une représentation de l'infection par la bactérie E-coli O175 de la laitue romaine originaire de Salinas, en Californie2
Figure 2 : La contamination de la laitue romaine par E. coli O157 a eu lieu à Salinas, en Californie, en 20192
La spectroscopie est un outil précieux pour l'identification des agents pathogènes alimentaires. Les techniques de spectroscopie IR et Raman ont toutes deux été utilisées pour identifier les agents pathogènes alimentaires. La spectroscopie Raman utilise la diffusion inélastique des molécules comme empreinte digitale pour identifier la molécule. Les raies de Stokes et anti-Stokes représentent respectivement les basses et hautes fréquences diffusées. La spectroscopie Raman est une méthode en temps réel permettant d'identifier rapidement et efficacement des biomolécules présentant diverses structures et compositions chimiques. La figure 3 présente un spectre Raman typique d'une biomolécule.
Figure 3 : Spectres Raman d'une biomolécule3
Cependant, la spectroscopie Raman présente certaines limites qui rendent difficile l’identification des bactéries comme suit :
- Les signaux Raman sont généralement faibles et pour les générer, un laser est nécessaire. L'intensité du signal Raman est plus faible d'un facteur 108 par rapport au signal source.
- Le signal de fluorescence interfère souvent avec Raman et doit être supprimé.
- Le coût de l'équipement est souvent élevé, car une source laser est toujours nécessaire. Les sources laser visibles, comme les lasers à argon, sont coûteuses à l'achat.
Français En 1974, Fleischmann et d'autres ont réalisé une série d'expériences et ont découvert que des molécules telles que la pyridine s'adsorbaient à la surface de surfaces métalliques rugueuses comme l'or et l'argent4,5. D'autres scientifiques, comme Van Duyne, ont prouvé qu'il y avait une augmentation d'un ordre de grandeur6 du niveau du signal par rapport aux signaux Raman normaux dans les solutions aqueuses6. C'est l'origine de la méthode de spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS), utilisée pour identifier les agents pathogènes alimentaires depuis 1990. Cette technique est en concurrence avec d'autres techniques d'analyse telles que la chromatographie liquide haute performance (CLHP) et la chromatographie en phase gazeuse (GC). Elle a été développée comme outil de diagnostic pour détecter des bactéries telles que la salmonelle, la listeria et E-coli en amplifiant le signal Raman. L'explication de certains des signaux SERS observés n'est pas claire et la physique doit être développée davantage4. L'idée de base est d'utiliser des surfaces métalliques rugueuses, telles que des surfaces en or, en argent ou en nanoparticules métalliques, de manière à ce que les échantillons puissent interagir avec elles et amplifie le signal Raman. La figure 4 montre l’idée de base du SERS et sa différence avec la spectroscopie Raman traditionnelle.
Figure 4 : Montre le principe de base du SERS et la différence entre le SERS et le Raman
La méthode colloïdale repose sur l'utilisation de nanoparticules d'or, un métal noble, dont le diamètre est compris entre 10 et 200 nm. Le colloïde d'or est une technique très efficace pour identifier efficacement les agents pathogènes par SERS. Peu coûteux, il est facile à préparer et à se procurer. La figure 5 montre un colloïde d'or à proximité d'un échantillon organique et la génération du signal SERS7.
Figure 5 : Utilisation de colloïdes d'or pour la génération du signal SERS7
La méthode des colloïdes de nanoparticules métalliques est peu coûteuse et facile à préparer, mais la répétabilité des résultats est faible. Une autre technique consiste à utiliser la méthode SERS basée sur les surfaces métalliques nanostructurées4. Cette technique consiste à préparer une surface sur laquelle sont fixés des amas de nanoparticules. Cette technique présente plusieurs avantages :
- Il y a une bonne répétabilité
- On peut distinguer les bactéries vivantes et mortes
- On peut trouver trois types de bactéries
- Il y a une augmentation de 108 de l'intensité du signal
La figure 6 montre une surface métallique nanostructurée typique. Cette méthode existe en version avec et sans marquage. Dans la première, aucun colorant n'est utilisé, tandis que dans la seconde, un colorant est utilisé pour amplifier le signal SERS.
Figure 6 : Méthodes de marquage et de non-marquage basées sur des surfaces métalliques nanostructurées
Allied Scientific Pro propose des systèmes Raman permettant la détection de diverses substances. Pour plus d'informations, consultez le lien suivant.
Références :
3- Identification rapide des bactéries en utilisant la spectroscopie Raman à surface améliorée induite par force diélectrophorétique amplifiée et nanoparticules, I-Fang Cheng et al., Nano-scale research letters, juin 2014.
4- Détection de pathogènes d'origine alimentaire par spectroscopie Raman exaltée de surface, X. Zhao et.al, Frontiers in microbiology, juin 2018.
5- M. Fleischmann et al., Amas d'échos Raman de pyridine adsorbés sur une électrode d'argent, Chem. Phys. Lett. 26, 1974.
6- Electrochimie par spectrométrie Raman de surface : partie I. Amines hétérocycliques, aromatiques et aliphatiques adsorbées sur l'électrode en argent anodisé, J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem 84, 1977.
7- Formation d'agrégats d'or colloïdal et chimiométrie pour la détermination SERS directe des bioanalytes dans des milieux complexes, J.E.L. Villa et.al, Spectrochimica Acta Part A : Spectroscopie moléculaire et biomoléculaire, 224 (2020).