Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Quantum Dot basierte Elektrochemolumineszenz zum Multiplex-Schnellnachweis von hygienerelevanten Keimen und Gesamtkeimzahl

Ziel ist eine quantitative Schnellbestimmung des hygienischen Zustands aufbereiteter Textilien bezüglich bewertungsrelevanter Infektionserreger und Gesamtkeimzahl auf Basis eines Multiplex-fähigen Elektrochemolumineszenz-Verfahrens. Quantum Dots (QD) mit z. B. blauer Emission binden unspezifisch an alle Mikroorganismen. Mittels spektral unterschiedlicher, längerwellig emittierender QD (z. B. grüner bis roter Spektralbereich) können Art-spezifisch bis zu 20 bewertungsrelevante Infektionserreger (z. B. S. aureus, Salmonella sp., E. coli, Listeria sp., Clostridium sp.) markiert werden. Die Bindungsspezifität an die jeweiligen Zielmikroorganismen wird durch Kopplung der QD mit Antikörpern (Art-spezifischer Nachweis) und Lektinen (Gesamtkeimzahl) erzielt. Durch elektrische Anregung erfolgt die Elektrochemolumineszenz-Emission der spektral unterschiedlich emittierenden QD zeitgleich (Multiplex); diese wird für die nachfolgende Auswertung mittels empfindlicher Kamerasysteme erfasst. Der Schnellnachweis kann zur Endproduktkontrolle von Textilien sowie in Kombination mit Biomonitoren zur Prozesskontrolle eingesetzt werden und ist auf harte Oberflächen (z. B. produktionsnahe Bereiche in Wäschereien, Oberflächen in Krankenhäusern, Lebensmittelindustrie etc.) übertragbar.

Den mehr als 2.300 vorwiegend kleinen und mittelständischen textilen Dienstleistungsbetrieben wird eine innerbetrieblich und kostengünstig anwendbare Schnelltestmethode zur Verfügung gestellt, die eine Prüfung der Aufbereitungsqualität der Textilien hinsichtlich Gesamtkeimzahl und 20 bewertungsrelevanter Infektionserreger innerhalb von ca. 40 Minuten ermöglicht. Hierdurch können Fehler bei der Aufbereitung zeitnah erkannt und Korrekturmaßnahmen eingeleitet werden. Haftungsrisiken gegenüber Kunden werden minimiert. Durch Substitution der klassischen kultivierungsabhängigen Nachweismethoden, die durch externe Labore durchgeführt werden müssen, ergeben sich wirtschaftliche Vorteile von >14,2 Mio. €/a.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel war ein quantitativer Schnellnachweis zur Bestimmung des hygienischen Zustands aufbereiteter Textilien bezüglich bewertungsrelevanter Infektionserreger und Gesamtkeimzahl auf Basis eines interferenzfreien Multiplex-fähigen Elektrochemolumineszenz (ECL)-Verfahrens.

Zur Bestimmung der Gesamtkeimzahl erwies sich eine Kombination aus mehreren Lektinen als geeignet. Für die spezifische Markierung von Keimen wurden exemplarisch Antikörper gegen E. coli und S. aureus ausgewählt, welche eine hohe Bindungsaffinität und -spezifität aufwiesen. Mittels chemischer Kopplungsmethoden wurden ausgewählte Antikörper und Lektine an verschiedenfarbige Quantum Dots gekoppelt und nachfolgend zur Keimmarkierung verwendet. Lektine und Antikörper erlaubten eine zeitgleiche Markierung aller Keime und spezifischer hygienerelevanter Keime. Eine vertikale Elektrophorese wurde zur Abtrennung nicht gebundener Quantum Dots eingesetzt, damit eine unspezifische ECL ausgeschlossen werden konnte.

Elektrochemolumineszenz konnte mit Quantum Dots und anderen ECL-fähigen Substanzen generiert werden. Dabei war es möglich, ECL-Signale in verschiedenen Farben (blau, grün und rot) zu generieren. Aufgrund der unzureichenden Stabilität bisher verfügbarer ITO-Elektroden war es nicht möglich, die markierten Bakterien auf einem Hydrogel mittels ECL großflächig zu visualisieren. Jedoch konnte demonstriert werden, dass ECL-Signale selbst in Anwesenheit von desinfizierenden Waschmitteln und Wirkstoffen stabil blieben. Daher sind ECL-basierte Nachweisreaktionen prinzipiell in hohem Maße geeignet, um Bakterien auf aufbereiteter Wäsche ohne Fluoreszenzanregung interferenzfrei detektieren zu können.