Detection of Stress Hormone in the Milk for Animal Welfare Using QCM Method

We developed a rapid and sequential analysis system to determine stress marker in the milk. One of the famous stress markers, cortisol, was detected using our method. Quartz crystal microbalance (QCM) method with a twin sensor was used in this study. One channel detected stress marker corresponding to antigen-antibody interaction and the other channel was used as a reference to remove environmental influences. Although nonspecific adsorption was monitored on each channel, frequency difference between them was within a few Hz on the injection of sample solution. One determination cycle including regeneration step could be performed within 10 minutes. The system could detect the cortisol level from 0.1 pg/mL to 100 pg/mL. These results show that our system has a potential to check the daily feeding condition for cows in terms of animal welfare

High Fundamental Frequency Quartz Crystal Microbalance (HFF-QCMD) Immunosensor for detection of sulfathiazole in honey

[EN] In this study, a piezoelectric immunosensor based on High Fundamental Frequency Quartz Crystal Microbalance (HFF-QCMD) technology was developed for detection of sulfathiazole in honey. The biorecognition was based on a competitive immunoassay in the conjugate-coated format, using monoclonal antibodies as specific im-munoreagents. The quantification of sulfathiazole was performed by building the corresponding calibration standard curve in diluted honey (1/140). Due to the competitive nature of the immunoassay, the standard curve showed a sigmoidal pattern with limits of detection (LOD) and quantification (LOQ) of 0.10 ¿g/kg and 2 ¿g/kg honey, respectively. The LOD reached by this immunosensor is 40¿50 times lower than those reported by other techniques for antibiotic detection. Moreover, this method requires minimum honey pre-treatment, making it faster and simpler than other methods. This immunosensor meets the precision and accuracy requirements established by SANCO guidelines, when sulfathiazole concentration in honey is not lower than 10 ¿g/kg. These findings could be the basis for reaching enough reliability for lower concentrations. Therefore, HFF-QCMD immunosensors can be considered a feasible alternative to current techniques for rapid and highly sensitive determination of sulfathiazole in honey with minimum sample preparation.The Spanish Ministry of Economy and Competitiveness, with FEDER-funds, has financially supported this work through the AGL 2013-48646-R project. Furthermore, authors are grateful for financial support from the European Social Fund and the Generalitat Valenciana for the PhD grant (Ayudas para la contratación de personal investigador en formación de carácter predoctoral) to Lourdes Cervera Chiner (ACIF/2016/132). The authors would also like to thank the Universitat Politècnica de València for the support provided for contracting Marisol Juan Borrás in the frame of PAID-10-17 (Ayuda para la contratación de acceso al Sistema Español de Ciencia, Tecnología e Innovación en Estructuras de Investigación).Cervera-Chiner, L.; Jiménez Jiménez, Y.; Montoya, Á.; Juan-Borras, MDS.; Pascual, N.; Arnau Vives, A.; Escriche Roberto, MI. (2020). High Fundamental Frequency Quartz Crystal Microbalance (HFF-QCMD) Immunosensor for detection of sulfathiazole in honey. Food Control. 115:1-6. https://doi.org/10.1016/j.foodcont.2020.107296S1611

Aplicación y validación de la tecnología de inmunosensores piezoeléctricos de alta frecuencia (HFF-QCM) para la detección de pesticidas y antibióticos en miel

Tesis por compendio[ES] Esta tesis doctoral se enmarca en uno de los retos demandados por la sociedad relativo a la seguridad y calidad alimentaria, establecido en los actuales planes estatales y europeos de investigación científica, técnica y de innovación. En particular, la investigación realizada en esta tesis doctoral, contribuye a la validación de una técnica de análisis novedosa para la detección de pesticidas y antibióticos de interés en la miel. Esta técnica está basada en el uso combinado de la tecnología de sensores acústicos de alta resolución (High Fundamental Frequency Quartz Crystal Microbalance - HFF-QCM) funcionalizados con anticuerpos monoclonales, como elemento de reconocimiento biológico, para la detección de dos pesticidas (carbaril y DDT) y un antibiótico (sulfatiazol), en la matriz alimentaria miel. La metodología desarrollada se presenta como una técnica de análisis, alternativa y/o complementaria a las ya existentes, que resuelve algunos inconvenientes de las mismas; con la ventaja de requerir bajo consumo de muestra, ser fiable, simple, de bajo coste y de fácil manejo, por lo que no necesita de personal altamente cualificado. Además, es una técnica rápida que proporciona los resultados en pocos minutos, y está basada en instrumentación portátil, lo que facilita su implantación en la línea de trabajo. Los límites de detección alcanzados en miel por los inmunosensores HFF-QCM para carbaril, DDT y sulfatiazol fueron: 7, 24 y 0.10 µg/kg, respectivamente. Por su parte, los límites de cuantificación para los mismos analitos fueron: 17, 52 y 2 µg/kg, respectivamente. Los valores obtenidos con esta nueva tecnología son del mismo orden de magnitud que las técnicas de referencia actuales (cromatografía, SPR y ELISA), y confirman que cumple con los LMRs establecidos en el marco normativo actual. Respecto a la validación de esta nueva tecnología, el inmunosensor HFF-QCM desarrollado para la detección de sulfatiazol cumplió los requisitos de precisión y exactitud establecidos por la guía SANCO 12571/2013 para concentraciones de sulfatiazol en miel iguales o superiores a 10 ¿g/kg. Los inmunosensores HFF-QCM desarrollados para la detección de carbaril y DDT se aproximaron a los criterios de validación recomendados por la guía SANCO 12571/2013. Los resultados obtenidos con la técnica propuesta para el análisis de mieles reales han sido corroborados mediante cromatografía. En este sentido, ninguna de las muestras de miel reales analizadas mediante cromatografía y HFF-QCM reveló la presencia de pesticidas o de antibióticos en la miel, lo que confirma la fiabilidad de la técnica para la detección de estos contaminantes. Los hallazgos obtenidos en esta tesis son prometedores y establecen un punto de partida para futuros desarrollos encaminados a lograr la detección simultánea de varios analitos en un único análisis y muestra. Esto podría lograrse con un array de sensores HFF-QCM. En definitiva, la investigación realizada pone de manifiesto que los inmunosensores basados en la tecnología HFF-QCM son una alternativa seria a las técnicas actuales, para la cuantificación in situ de pesticidas y antibióticos en la industria de envasado de la miel.[CA] Aquesta tesi doctoral s'emmarca en un dels reptes demandats per la societat relatiu a la seguretat i qualitat alimentària, establit en els actuals plans estatals i europeus d'investigació científica, tècnica i d'innovació. En particular, la investigació realitzada en aquesta tesi doctoral, contribuïx a la validació d'una tècnica d'anàlisi nova per a la detecció de pesticides i antibiòtics d'interés en la mel. Esta tècnica està basada en l'ús combinat de la tecnologia de sensors acústics d'alta resolució (High Fudamental Frequency Quartz Crystal Microbalance - HFF-QCM) functionalitzats amb anticossos monoclonals, com a element de reconeixement biològic, per a la detecció de dos pesticides (carbaril i DDT) i un antibiòtic (sulfatiazol), en la matriu alimentària mel. La metodologia desenvolupada es presenta com una tècnica d'anàlisi, alternativa y/o complementària a les ja existents, que resol alguns inconvenients de les mateixes; amb l'avantatge de requerir baix consum de mostra, ser fiable, simple, de baix cost i de fàcil maneig, per la qual cosa no necessita de personal altament qualificat. A més, és una tècnica ràpida que proporciona els resultats en pocs minuts, i està basada en instrumentació portàtil, la qual cosa facilita la seua implantació en la línia de treball Els límits de detecció aconseguits en mel pels inmunosensors HFF-QCM per a carbaril, DDT i sulfatiazol van ser: 7, 24 i 0.10 µg/kg, respectivament. Per la seua banda, els límits de quantificació per als mateixos analits van ser: 17, 52 i 2 µg/kg, respectivament. Els valors obtinguts amb aquesta nova tecnologia són del mateix orde de magnitud que les tècniques de referència actuals (cromatografia, SPR i ELISA), i confirmen que complix amb els LMRs establits en el marc normatiu actual. Respecte a la validació d'esta nova tecnologia, l'inmunosensor HFF-QCM desenvolupat per a la detecció de sulfatiazol va complir els requisits de precisió i exactitud establits per la guia SANCO 12571/2013 per a concentracions de sulfatiazol en mel iguals o superiors a 10 µg/kg. Els inmunosensors HFF-QCM desenvolupats per a la detecció de carbaril i DDT es van aproximar als criteris de validació recomanats per la guia SANCO 12571/2013. Els resultats obtinguts amb la tècnica proposta per a l'anàlisi de mels reals han sigut corroborats per mitjà de cromatografia. En aquest sentit, cap de les mostres de mel reals analitzades per mitjà de cromatografia i HFF-QCM va revelar la presència de pesticides o d'antibiòtics en la mel, la qual cosa confirma la fiabilitat de la tècnica per a la detecció d'estos contaminants. Les troballes obtinguts en aquesta tesi són prometedors i estableixen un punt de partida per a futurs desenvolupaments encaminats a aconseguir la detecció simultània de diversos analits en un únic anàlisi i mostra. Açò podria aconseguir-se amb una matriu de sensors HFF-QCM. En definitiva, la investigació realitzada posa de manifest que els inmunosensors basats en la tecnologia HFF-QCM són una alternativa seriosa a les tècniques actuals, per a la quantificació in situ de pesticides i antibiòtics en la indústria d'envasament de la mel.[EN] This thesis is part of one of the challenges demanded by society regarding food safety and quality, established in the current state and European plans for scientific, technical and innovation research. In particular, the research carried out in this doctoral thesis contributes to the validation of a novel analysis technique for the detection of pesticides and antibiotics of interest in honey. This technique is based on the combined use of high resolution acoustic sensor technology (High Fundamental Frequency Quartz Crystal Microbalance - HFF-QCM) functionalized with monoclonal antibodies, as a biological recognition element, for the detection of two pesticides (carbaryl and DDT ) and an antibiotic (sulfathiazole), in the honey food matrix. The developed methodology is presented as an analysis technique, alternative and / or complementary to those that already exist, which solves some of their drawbacks; with the advantage of requiring low sample consumption, being reliable, simple, low cost and easy to use, so it does not require highly qualified personnel. In addition, it is a fast technique that provides results in a few minutes, and is based on portable instrumentation, which facilitates its implementation in the industry. The detection limits reached in honey by the HFF-QCM immunosensors for carbaryl, DDT and sulfatiazole were: 7, 24 and 0.10 µg / kg, respectively. On the other hand, the quantification limits for the same analytes were: 17, 52 and 2 µg / kg, respectively. The values obtained with this new technology are of the same order of magnitude as the current reference techniques (chromatography, SPR and ELISA), and confirm that it meets the MRLs established in the current regulatory framework. Regarding the validation of this new technology, the HFF-QCM immunosensor developed for the detection of sulfathiazole meet the precision and accuracy requirements established by the SANCO 12571/2013 guideline for concentrations of sulfathiazole in honey equal to or greater than 10 ¿g / kg. The HFF-QCM immunosensors developed for the detection of carbaryl and DDT approached the validation criteria recommended by the SANCO guide 12571/2013. The results obtained with the proposed technique for the analysis of real honeys have been verified by chromatography. In this sense, none of the real honey samples analyzed by chromatography and HFF-QCM revealed the presence of pesticides or antibiotics in honey, confirming the reliability of this technique for the detection of these contaminants. The findings obtained in this thesis are promising and establish a starting point for future developments aimed at achieving the simultaneous detection of several analytes in a single analysis and sample. This could be accomplished with an array of HFF-QCM sensors. Ultimately, the research carried out shows that immunosensors based on HFF-QCM technology are a serious alternative to current techniques for in situ quantification of pesticides and antibiotics in honey packaging industry.Así mismo quiero agradecer a la Generalitat Valenciana y al Fondo Social Europeo por haberme proporcionado la financiación económica mediante el contrato “Ayudas para la contratación de personal investigador en formación de carácter predoctoral” (ACIF/2016/132), ya que sin este contrato la realización de esta tesis no habría sido posible. Además, quiero agradecer de nuevo a la Generalitat Valenciana y al Fondo Social Europeo por el apoyo financiero para llevar a cabo una estancia predoctoral en el Instituto de Ciencia y Tecnología de los Alimentos de la Universidad de León (ICTAL), España (BEFPI/2018/021). Y no menos importante es el agradecimiento al Ministerio Español de Economía y Competitividad, que mediante Fondos FEDER ha financiado esta investigación a través del proyecto titulado: “Diseño de una plataforma basada en matrices de sensores de cuarzo de alta resolución para HTS (High-Throughput Screening) de residuos en mieles” (PQHTS-HONEY, AGL 2013-48646-R).Cervera Chiner, L. (2020). Aplicación y validación de la tecnología de inmunosensores piezoeléctricos de alta frecuencia (HFF-QCM) para la detección de pesticidas y antibióticos en miel [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/152488TESISCompendi