D e c e m b e r 2 0 1 3

Peter Hufnagl AGESInstitut für medizinische Mikrobiologie und Hygiene

ERNCIP thematic area Chemical & Biological Risks in the Water Sector Deliverable 2 – Task 2

Review of monitoring techniques for biological contaminants

Report EUR 26495 EN

The research leading to these results has received funding from the European Union as part of the European Reference Network for Critical Infrastructure Protection project.

European Commission Joint Research Centre Institute for the Protection and Security of the Citizen Contact information Naouma Kourti Address: Joint Research Centre, Via Enrico Fermi 2749, TP 721, 21027 Ispra (VA), Italy E-mail: ern-cip@jrc.ec.europa.eu Tel.: +39 0332 78 6045 Fax: +39 0332 78 5469 http://ipsc.jrc.ec.europa.eu/?id=688 http://www.jrc.ec.europa.eu/ Legal Notice Neither the European Commission nor any person acting on behalf of the Commission is responsible for the use which might be made of this publication. Europe Direct is a service to help you find answers to your questions about the European Union Freephone number (*): 00 800 6 7 8 9 10 11 (*) Certain mobile telephone operators do not allow access to 00 800 numbers or these calls may be billed. A great deal of additional information on the European Union is available on the Internet. It can be accessed through the Europa server http://europa.eu/. JRC88228 EUR 26495 EN ISBN 978-92-79-35422-9 ISSN 1831-9424 doi:10.2788/68535 Luxembourg: Publications Office of the European Union, 2013 © Peter Hufnagl, AGES - Institut für medizinische Mikrobiologie und Hygiene, 2013 © European Union, 2013 Reproduction is authorised provided the source is acknowledged. Printed in Italy

 

 

 

 

Th

hemattic groRisks

W

Nate

Co

Da

Ap

Da

 

 

 

oup ‘Cs to th

Work Prog

ame of thechniques

oordinate

ate: 22. 1

pproved b

ate:

Chemihe Wa

ramme T

he Task: Rs for biolo

ed by: Pet

12. 2013

by:

 

ical anter Se

Task No 2

Review ofogical con

ter Hufna

nd Bioector’

f monitorntaminan

agl

ologic

ring nts

cal

 

 

Con

 

Abst

 

 

 

 

 

tents 

tract 

1. Introduc

2. Commo

3. Technol

3.1.  Flow

3.2.  Flow

3.3.  Livi

3.4.  Ma

3.5.  Ram

3.6.  Infr

3.7.  Am

3.8. Nuc

3.9. Imm

3.10. De

3.11. Bio

        

   

ction   

n considerat

ogies in eva

w cytometry

w through m

ng organism

ss spectrom

man spectro

rared spectro

mplification o

3.7.1. Real‐t

3.7.2. Isothe

3.7.3. Loop‐

cleic acid (RN

munological 

etection of m

osensors 

3.11.1.  Opt

3.11.2.  Elec

3.11.3.  Bios

3.11.4.  Surf

3.11.5.  Nan

3.11.6.  Auto

3.11.7.  Syst

3.11.8.  Nan

 

tions: issues

luation/dev

y 

microscopy

ms as indicato

metry

scopy

oscopy

of DNA

time PCR

ermal amplif

‐mediated is

NA/DNA) hy

techniques

metabolites

ical biosenso

ctrochemical

sensors using

face plasmon

noparticles

omation by 

tem integrat

nopore techn

 

 

s/problems t

velopment, u

 

 

ors  

 

 

 

 

 

fication of n

othermal am

bridisation o

 

 

 

ors 

l nucleic‐acid

g fluorogeni

n resonance

 

microfluidic

tion to gener

nology — Na

to be solved

under invest

ucleic acids

mplification 

on microarra

d‐hybridisat

ic DNAzymes

e biosensors 

cs 

rate one dev

anochannels

 

 

 

igation 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(LAMP) 

ays 

 

 

 

 

ion biosenso

s  

(SPR) 

 

 

vice 

s as biosenso

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ors   

 

 

 

 

 

ors   

 

4 

5 

6 

7 

7 

8 

8 

9 

9 

10 

10 

10 

11 

12 

12 

13 

14 

14 

15 

16 

18 

19 

19 

20 

21 

23 

2 

 

 

  4. S

  5. R

3.12. Ne

3.13. Ep

Summary/di

References 

3.11.9. Oxfo

3.11.10. Ele

3.11.11. Ele

ext generatio

pidemiology 

iscussion 

   

 

ord nanopor

ctronic tong

ctronic nose

on sequencin

and ‘human

e technolog

gues (ET) 

es (EN) 

ng (NGS)

n sensors’

 

 

ies   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

24 

26 

28 

28 

30 

30 

33

3 

 

 

Abst

Watpres

Therindelimit

The and 

 

tract: 

ter quality is sent have illu

refore fast, rependently ated technolo

following reevaluated to

a critical facustrated the 

reliable, sensat a low levelogies to mon

eview shouldoday which c

 

ctor for publivulnerability

sitive and chl of maintenaitor pathoge

 give an ovecould have p

 

ic health wory of our wate

eap water‐mance and hanenic agents a

rview of the potential as m

rldwide. Accer supply cha

monitoring synds‐on time.available on t

major technmonitoring sy

idents in theain. 

ystems are n. Today therethe market.

nologies beinystems in th

e past and 

eeded, worke are only 

ng developede near future

 

king 

d e. 

4 

 

 

 

In mfor pdisrutherinduand disecontwasattawate

Toda(temtotarapipathurgethattranpurilike and partdevibegasmamolproctranand highto a spec

The futu

1. Introduc

modern commpublic healthuption of thereby lead to ustrial‐ and wquantity hav

ease have untamination. Ste‐water bacck have to ber supplies e

ay, systems fmperature, pal organic comd detection hogenic agenent need of it are reliablensportation (ofication and PCR or hybritherefore arts of classicaices, and aftean to move faller, faster aecular recogcesses, new ansport of anaelectronics)

her levels of svariety of recific applicat

following givure. 

ction 

munities envh. Water is inese infrastruconsiderablewaste‐water ve to be maimistakably sSituations ofckflow, systee avoided. Texist in differ

for continuoH, turbidity, mpounds) armethods fornts (viruses, mprovemen and even chof samples) tmodificationidisation), inre not viablel laboratory wer changing from the labnd cheaper gnition mechand simplifiealytes and rea and improvsystem‐autoelatively expeions in medi

ves an overv

 

vironmental mnvolved in nuctures woulde economic lhave been dntained. In tshown the sef that kind arem leakage, mTherefore a lorent countrie

ous or disconconductivityre available ir specific poibacteria, pronts. Of courseheap but theto laboratorn of analytesterpretatione for online mworkflows in(miniaturisinoratory to thmonitoring sanisms, optied fabricatioagents withied algorithmomation, flexensive but cocal diagnost

view of what

monitoring humerous life d seriously jeosses. Thus,designated asthe past and ensitivity of trising either maintenanceot of special es worldwide

tinuous realy) and chemn the markesonous comotozoa) are ne we have syey involve timies, preanalys), analysis (pn of primary/monitoring. Mnvolving expng and simplhe point of usystems in thmising biochn technologin the device

ms in data geibility and inommerciallyics, environm

 is possible n

has become support/suseopardise pu water systes a critical inpresent, outthe water sufrom unintee work) or frregulations e. 

‐time onlineical paramett but specificpounds (ricinnot really in pystems of higme‐consuminytical procedprocesses lea/raw‐results Most of theseensive, heavifying) the wse. Critical sthe field are dhemical and ies for a bettes (microfluidneration andndependencyy available mmental testin

now and wha

a matter of hstaining systeublic health ams like drinkfrastructuretbreaks of wpply chain tontional systeom deliberatfor monitori

e measuremeters (ions, chc, sensitive, n, dioxin) or place/insuffigh specificityng steps like dures (e.g. enading to meausing comple systems stvy and large/whole concepteps in this edriven by innmolecular biter fusion of dics), detectid processingy this develoonitoring sysng, and food 

at is feasible 

high importaems and and safety anking‐, recycli where quali

waterborne o biological em failure (ete biologicaling drinking 

ent of physichlorine, oxygereliable and highly cient and arey and sensitivsampling, nrichment, asurable signex algorithmarted as inte/immobile ptual set‐up, evolution to ovations in iological sampling, on units (op. Triggering pment gave stems for safety. 

 in the near 

 

ance 

nd ng‐, ity 

.g.  

cal en, 

e in vity 

nals ms egral 

they 

tics 

rise 

5 

 

 

The agentulareacand aliqugenegenosensamo

Curronescomneedby t

Meaavaichlosens

The fluid

Firstsupptakelong

Secopowsenscontby in(e.g

Thirtimetakesyst

2. Commo

definition ofnts are needrensis are suction (PCR) foon statisticsuot under inetic informatome equivalsitive detectiounts to beco

rently, systems: Monitorin

mpartments gd a high levehis system th

asurement olable in the morine drops dsitive enough

simplest setd/flowing wa

t, the systemport chain. Pen off the sysg‐living comp

ond, reactionwer for tempesors for fluortinuously denvolving mic. light emitti

d, collected e to a data coes place. It caems for all n

n considerat

f a detectioned for someufficient for ior example is (this proposvestigation).tion in one bent (e.g. riboion by PCR. Home life thre

ms in use cang of behaviogive a hint abel of maintenhe real searc

f turbidity, tmarket and cdown conditih to warn in 

t‐up for monater, howeve

m has to be inPipes in paralstem. Howevponents are a

n partners foerature controphore excipending on mcrofluidic systng diodes in

data from alollection cenan be expectneeded param

 

tions: issues

n limit is quit infections, onfection. Thes one copy osed/calculate. On the othebacterial cell osomal DNA)However, toxeatening and

n be consideour of higherbout the watnance (qualifch for the thr

emperature commonly inons for bacttime when a

itoring analyer there are s

nstalled, maillel can give aver, developappreciated.

or biochemictrol, switchestation and dmeasuring‐ctems and destead of lase

ll points of thntre where eted that the ameters are in

s/problems t

e divergent:only a few (lee theoreticaof target DNAed copy of Der hand, usuor even mor), which makxicants and pd to be detec

ered as surror organisms (ter quality bufied personnereat just beg

and free chln use. If turberial growtha biological t

ytes of interesome critical

ntained andaccess to thement of syst. 

al/moleculas and pumpsdetection havycle regime.ecreasing powers) supports

he monitorinvaluation anamount of dnstalled. 

to be solved

 While high ness than 10) l detection liA but this deDNA might noally there arre than one ckes it an ideapoisons instected. 

ogate techniqfish, daphniaut are delayeel 24 hours).gins. 

lorine is an eidity and tem become bethreat is just 

est is a senso/technical lim

 replaced wie water supptems with a l

r biological ps in microfluive to be supp A general trwer consums these need

ng grid have nd, in case ofata will be h

numbers of bacteria of Fimit of polympends on theot be presene several copcopy of a geal target sequead need sub

ques as they a) in separated in time, u. Once an ala

easy approacmperature intter. This meat the begin

or exposed tomitations: 

ithout interrply grid whenower mainte

processes anidics, light soplied more orend in reducption by mos. 

to be transfef emergency,uge, when d

pathogenic Francisella merase chaine quality of Dt in the sampies of identne in the samuence for bstantial 

are indirect ted/parallel nspecific andarm is trigger

ch as sensorsncrease and fethod is not nning. 

o the 

upting the wn one branchenance rate 

d electrical ources and or less ction of reagdern techno

erred in real‐, alert initiatdetection 

 

n DNA ple tical me 

d red 

s are free 

water h is and 

gents logy 

‐ion 

6 

 

 

Andand surfantibact

Conratecomcomsize main

Mandeadthe 

To cmanoutb

 

The (DNApath

A su

 

3.1.

Cultspecrestpneustepantiquadete

 last but notbiofilm formaces (e.g. elebodies). Fouteria against 

siderations ae, volume, templexity of thmponent staband weight ntenance ha

ny of the desd pathogensorigin is long

complete thenagement of break is dete

3. Technol

focus of detA/RNA, prothogens (virus

ummary of te

 Flow cytom

ivation of bacies, has a loricted to cultumophila in p followed bybodies, immntification. Tection limit o

t least, harmfmation will limectrodes wituling or biofildisinfection

about the hamperature ahe analyte, inbility), need fof equipmenve to be ma

scribed monis. DNA deriveg extinguishe

e workflow, rcounter me

ected. 

ogies in eva

tectible ageneins, peptideses, bacteria

echnologies f

metry 

acteria, still tng assay timtivable cells.water sampy double‐sta

munomagnetiThis cultivatioof around 50

 

ful and corromit the lifesph immobilisem formation. 

andling of theand viscositynterfering/infor technicalnt, total costde. 

itoring methed from pathed by counte

reporting, invasures need

luation/dev

nts here will bes, hormone, protozoa …

from differe

the standardme (e.g. 10 da A fast, quanles consists oining with FIic separationon‐independ0 cells/l and

oding substapan of sensited recognition is a commo

e whole syst) and chemichibiting comly competents, the enviro

ods are not hogenic orgaeracting mea

vestigations  to follow we

velopment, u

be put on ores, metabolit…). 

nt fields usef

 detection mays for Legiontitative flowof four stepsTC‐ and Alexn and finally,dent method a recovery r

nces like fretive system con moleculeson problem i

ems have tocal sample chmponents, rannt personnel,onmental situ

able to distinnisms will stasures like ch

(localisationell‐establishe

under invest

rganic compotes, drugs, pe

ful for online

method for nnella pneumw cytometric s, involving axa‐conjugate flow cytomed reduces assrate of Legio

e chlorine focomponents s like oligonun water supp

o be made: pharacteristicnge of target, assay time uation and c

nguish betwetill circulate ihlorination.

n, causative aed procedur

igation 

ounds/biomoesticides …) a

e monitoring

umerous patmophila) and workflow fo filtration/coed Legionellaetric detectiosay time to 3onella cells of

or disinfectiolike biosensoucleotides orply as it prot

hysical (e.g. cs (e.g. t concentratand frequenomplexity of

een living ann water whe

agent) and es after an 

olecules and whole 

g of water: 

thogenic a detection or Legionella oncentratinga‐specific on and 3 hours at a f about 50 %

 

on or r tects 

flow 

ion, cy, f 

nd en 

g 

% [1]. 

7 

 

 

 

3.2.

FlowclassoptiareaOneillumGiar

 

3.3.

The innuwatewithspecto dcom

To inwithbroasubs

At thmonocculow diffethe are be dcamfluctan u

To imenvi

 Flow‐throug

w‐through msification of cal systems a of algorithme possible/prmination in crdia lamblia 

 Living organ

effect of an umerous poser is continuh living highlycialists or is mistinguish be

mparison to t

ncrease reliah other sensoadband sensstances as w

he German Fnitoring of drurance of haconcentratioerent modifiewater supplyable to proddetected andmera. The softtuations in thunusual signa

mprove this ironmental m

gh microsco

icroscopy coliving organiare relativelyms for automomising set‐ombination cysts even in

nisms as ind

agent on a sssible toxins ously taken y sensitive mmonitored between normhe same org

ability and deors yet availaor can be em

well as for mo

Fraunhofer Inrinking watezardous subsons (nanograed strains ofy system. Duuce red fluod analysed bytware of thishe physical, al‐pattern wi

system a damanufacturin

 

opy 

ould be applisms in drinky expensive mated image‐up is digital with sophistn a mixture w

icators  

surrogate or and pathogefrom the ma

microorganismy cameras inmal and abnoganisms in pu

ecrease the rable is recommployed in thonitoring wat

nstitute of Or, AquaBioTostances like ams per litref bacteria andue to geneticrescent proty monitorings system is achemical, anill trigger an 

phnia taximeng company 

cable as a toking water. Uand need sp/structure reholographic ticated algorwith other sim

taster organens in qualityain water supms or organin combinatioormal behaviure water. 

rate of false mmendable fhe detectionter quality in

Optronics a syox [3], was dcyanide, ricine) within mind mammaliac modificatiotein upon cog the red fluoble to learn nd biological alarm. 

eter from prat Kiel in Ge

ool for automUsually all mepecialised perecognition hmicroscope ithms to calcmilar organis

nism is an alty control of dpply and pasisms. Their reon with sophiour (e.g. mo

alarms, a cofor online dian of contaminn supply facil

ystem for coeveloped, thn, or toxic mutes. The sean cells is fedns these senntact with toorescent lighfrom historicparameters 

oject partneermany [4], w

mated detectethods involvrsonnel. In reas been an imutilising cohculate the exsms [2]. 

ternative to sdrinking watesses through eaction is obisticated anaovement, col

mbination oagnosis. Thisnation with hities in gene

ntinuous, rehat can triggemetabolites frnsor‐systemd with drinkinnsitive microoxic substanct by a highlycal data‐setsare normal,

er bbe Moldawas added, w

tion and ving complexecent years tmproving fieherent spatiaxact position

searching foer. Drinking containmenbserved by alysis softwaour) in 

f this system concept of aharmful ral. 

al‐time er an alarm orom bacteriam containing tng water fromorganisms/cces, which cay sensitive s in which  therefore o

aenke, an when they 

 

x the eld. al  of 

r 

nts 

re 

m a 

on a at two m cells an 

nly 

8 

 

 

notisystcond

 

Figu

 

3.4.

Masworand coupworsingtarg

A cospecnear

 

3.5.

Ramof siof dimp

ced that theem monitorsditions for th

ure 1: AquaB

 Mass spect

ss spectromekflow is easythe need fopled to MS likflow. Neverle colonies ingets even in m

ombination octrometry (Pr neighbour 

 Raman spec

man spectrosingle bacteriifferent instrrove speed a

ese water fleas and regulathe surrogate

ioTox [3] 

rometry 

etry (MS) is ay and cheap.r pure and suike gas chromrtheless, MAn bacteriologmixtures of l

of biothreat gCR/ESI‐MS) organisms w

ctroscopy 

copy is a powal cells at mirument concand sensitivit

 

as are espectes paramet organisms.

a very power The disadvaubstantial ammatography ALDI‐TOF is wgy. New genow complex

group‐specifis sufficient twith a very lo

werful analyicron‐scale recepts and comty of analysis

ially sensitivers like temp

rful detectionantages are imounts of an(GC) or PCR 

well establisherations of aity are unde

fic PCR with eto distinguisow false posit

sis techniqueesolution wimplex multivs even of sin

ve to nerve pperature and

n method asnstrumentatnalytes. Therprolong assahed for pathoalgorithms abr developme

electrosprayh the closelytive rate [5].

e for non‐dethout use ofvariate statisgle cells [6].

oisons. In pad nutrients fo

 it is fast, acction price, sizrefore pre‐anay times andogen identifible to identifent. 

y ionisation my related but 

estructive rapf fluorescentstical analysi

arallel a secoor optimal lif

 

curate and thze and weighnalytical stepd complicate cation from fy bacterial 

mass  less harmfu

pid identifica dyes. A varis tools helpe

 

ond fe 

he ht ps the 

ul 

ation ety ed to 

9 

 

 

For for rbact

Conimagfor a

 

3.6.

Infraonlymolvarioinfraconvdevedire

The in a and,(sweprod

 

3.7.

3.7.

PCR cycloligoto bhavesamand absosele

example, mirapid real‐timteria [7]. 

focal Ramanging allows pa variety of a

 Infrared spe

ared spectroy limited poteecules themous time‐conared quantumventional silieloped, werectly in water

Fraunhofer pilot project, without anyeetener) wasduct in coope

Amplificat 

1. Real‐tim

 reaction hasing, buffer wonucleotidese separated e to be trans

mple processimicrofluidicorption, centctive membr

crospectroscme monitorin

n spectroscopproduction oapplications o

ectroscopy 

oscopy is a wential in appselves. Contnsuming metm cascade laicon carbide e light intensr. 

Institute (IAt taking sampy further pres carried outeration with

tion of DNA 

me PCR 

s to be carriewith exact pHs and nucleofrom the wasferred from ng will take c devices, simtrifugation oranes carryin

 

copy using mng of individ

py in combinof handheld doutside the l

idely used pplications likeaminants thethods as a praser technolothermal emsities sufficie

F) tested infrples every feetreatment, t. This protot Bruker Opti

ed out underH, sensitive retide triphospater networkthe drinkingplace. This semultaneouslyr filtering fong receptors

multifocus coual bacteria 

nation with ladevices for hlaboratory [8

owerful teche direct wateerefore havererequisite foogy — up to itters used inent to visualis

rared quantuew minutes ddetection oftype will be dk [9]. 

r special coneaction partnphates at cerk in distinct rg water suppeparation pry concentratillowed by DN, oligonucleo

onfocal Ramaand even ge

aser scanninhigh‐resolutio8]. 

hnology in orer monitoringe to be extraor infrared s1 000‐fold sn the laboratse and chara

um cascade ldirectly fromf spiked contdeveloped an

ditions (exacners like enzrtain concenreaction contply system torocess could ing target mNA extractiootides or ant

an was testeermination dy

g confocal reon imaging a

rganic chemig due to the cted from wspectroscopytronger comtory to date acterise orga

laser technom the water saminant/impnd turned in

ct temperatuzymes, labelltrations) andtainments. To the comparbe managedolecules andn. To accomtibodies toge

d successfulynamics of 

eflectance and spectrosc

istry but hadwater 

water sampley. Only whenmpared to — was nic molecule

logy successupply systempurity to a finished

ure setting aed d therefore hThus the samrtments whed by samplerd organisms bplish these sether with po

 

ly 

copy 

d 

s by n 

es 

sfully m 

d 

nd 

has mples ere rs by steps ore 

10 

 

 

formchlo

3.7.

Anasensnuclampemeconswithopeinteadvaspecraw techexac

Exam

nucl

loop

helic

rolli

stra

expo

isoth

sign

 

 

 

 

ming proteinsorine) are des

2. Isotherm

lysis of tracesitive — metleic acid anaplification buerging as altestant tempeh lower comprated detectgrated opticantages overcificity and rosample mat

hnology solvect temperatu

mples of isot

leic acid sequ

p‐mediated i

case‐depend

ng circle am

nd displacem

onential amp

hermal and c

al‐mediated

s are imaginastructive and

mal amplifica

e amounts ofthods to detelysis have usut an increasiernatives: Isoratures throplexity of eletion systems al detection r PCR‐based obustness agtrices even wes the probleure setting an

thermal met

uence‐based

sothermal am

dent amplific

plification (R

ment amplific

plification re

chimeric prim

 amplificatio

 

able but biofd thus count

ation of nuc

f nucleic acidect organismsed conventiing number oothermal micughout ampectronics. Thin the field aelements, stechniques against inhibitwithout time‐em of exact tnd detection

hods [10]: 

d amplificatio

mplification 

cation (HDA)

RCA) 

cation (SDA)

eaction (EXPA

mer‐initiated

on of RNA tec

film formatioeracting pro

leic acids 

ds is one of tms. To date, tonal polymeof techniquecrosystems nlification andis is an ideal and is, in comuitable for oare shorter ators, which a‐consuming stemperaturen system (e.g

on (NASBA)

(LAMP) 

 

AR) 

d amplificatio

chnology (SM

on and ageinocesses to su

he most powthe majority erase chain rees without neneed a shorted are therefotechnology mbination wnline monitoassay times aallows detectsample prepe cycling but g. fluorescen

on of nucleic

MART) 

ng (e.g. due tch sensitive 

werful — botof miniaturiseaction (PCReed for thermer reaction tore less enerfor portableith microfluioring devicesat comparabtion of targeparation. Isotstill needs pce). 

c acids (ICAN

to exposure tcomponents

th selective ased systems R) for mal cycling atime and rgy consumin, battery‐dics and s. Further le sensitivityt sequences thermal PCR power supply

s) 

 

to s. 

and for 

are 

ng 

y and in 

y for 

11 

 

 

3.7.

LAMmodintraemptoxic

A redetereal‐consdete

 

3.8.

Hybof daccoontosyntoligosamconsmicrfluomicrabsocomoligo

MicrpathThey

3. Loop‐me

MP technologdified sequenamolecular loployed in varcants and fu

everse transcecting Japane‐time RT‐PCRsuming evenection limit o

Nucleic aci

ridisation of ifferent targomplish this o a glass slidethesis. Whenonucleotides

mple, amplificsiderations crofluidics forrescent dyesroarray‐systeolutely requimputing softwonucleotides

robial detecthogenic orgay fill the gap 

ediated isot

gy is based once containinoop‐formatirious fields lingal contam

cription loop‐ese encephaR and 10‐foldn compared tof 24 copies/

id (RNA/DNA

f nucleic acidet moleculesmethod a pae or similar mnever comples are presentcation by PCRconcerning wr washing stes coupled to ems workingired. The resware (statistis. 

tion on the banisms in clinbetween na

 

hermal amp

n amplificating the targeton and circuke food testi

minants [11].

‐mediated isalitis virus wad more sensto real‐time /μl [12]. 

A) hybridisat

s allows sims or discriminattern of diffmaterial by aementary set in the sampR is needed bworkflow areeps). During the primersg at low DNAulting patterical algorithm

basis of DNA nical, environarrow‐range 

plification (LA

ion with fourt sequence islar amplificaing and othe

sothermal amas shown to itive than coRT‐PCR (1 h 

tion on micr

ultaneous denation of simferent oligonas different mquences to ople, they bindbefore hybri similar to thPCR the targ. As these steA‐concentratirn of detectems) by localis

microarraysnmental and PCR and bro

AMP) 

r primers, whs generated.ation followser application

mplification (be more simonventional Rat 63 °C) and

roarrays 

etection of hmilar sequencnucleotides ismethods as sone or more d to it. If DNAdisation to those for PCR get DNA ampeps are criticions and labeed spots is ansing and dec

s became verfood sample

oad‐range ne

here, after a. The modifics. This technons for bacter

(RT‐LAMP) ample but as seRT‐PCR. It wad highly spec

hundreds or ces by mutats spotted anspotting, sprof these catA is present he microarra(e.g. tempe

plicons are lacal for onlineel‐free methnalysed by suiphering the

ry useful for es or even inext generatio

n initial phascation allowsology is rial pathogen

ssay for ensitive as a as less time‐cific with a 

even thousation analysisd immobiliseaying or in stching at low level ay. Thereforerature and abelled with e monitoringods are uitable  correspond

monitoring on biodefenceon sequencin

 

se, a s 

ns, 

ands s. To ed itu 

in a e all 

g, 

ing 

of . ng. 

12 

 

 

  

Figu

To aattocomof D

A higpolycatcthe the 

 

3.9.

Instemicr

Comwhe

ure 2: Microa

avoid PCR amomol concentmbined with eDNA in 40µL (

ghly sensitivypyrrole withching oligonuferrocenyl gproduction o

Immunolo

ead of oligonroarrays can

mbiMatrix arrere an electro

array [13]  

mplification atrations (1aMelectrochem(5aM) [14]. 

ve and selecth ferrocene oucleotides onroup within of high‐dens

ogical techniq

nucleotides f be used as b

ray chips conochemical si

 

as a prerequiM, 10e‐18moical detectio

ive DNA‐deton a gold surn the polymethe copolymity arrays wi

ques 

for the detecbiosensing m

nsist of thousgnal originat

isite these asol/L). Silver non was show

ection chip crface. Hybrider becomes vmer. This electh individua

ction of DNAmolecules for

sands of inditing from an 

ssays have tonanoparticle n to detect a

can be prepadisation of tavisible by thectrochemicall microelectr

A/RNA, antibor the analysis

ividually addenzyme‐enh

o perform weaggregate teapproximate

ared by coporget DNA to e resulting re sensor techrodes [15]. 

odies immobs of antigens

dressable michanced react

ell at low echnology ly 120 molec

olymerisationthe immobiedox signal ohnology allow

bilised onto s. 

croelectrodetion is 

 

cules 

n of lised of ws 

es 

13 

 

 

tranfor twhicchipbiologlycand 

Anti(e.gmicrinte

A chcomcellumodcheaCFUit wa

 

3.10

Livinfor dan ea ve

 

3.11

Genphyselecto thread

 

 

nsduced by cothe first reacch can be anp adjacent toogical pathooprotein [17staphylococ

ibody‐captur. antibodies roarray/multrcalating dye

hemiluminesmbining crossulose membrdule to transap and rapid/mL of the foas coupled to

0. Detection 

ng or dead mdetection sysexample for mery sensitive 

1. Biosensors

erally biosensicochemicactronic systemhe sensor (sidable results

omplementaction is targe oligonucleo the CMOS. Agens like sax7], Yersinia pccal enteroto

red bacteria or aptamerstiwell plate se/stain [20]. 

cent system s‐flow immunrane‐based ifer the chem small‐sized ood‐borne po an immuno

of metabolit

microorganismstems. Detecmonitoring csystem [22].

s 

nsors consistl transducer m first amplignal amplifies. 

 

ary metal oxt‐molecule botide as well Antibody chxitoxin and bestis with a doxin B down t

can be detecs) in a fast higsubstrates an

for the deteno‐chromatommunosens

miluminescenimmunosen

pathogen, Sao‐magnetic s

tes  

ms release action of adencoliforms and 

t of a biologi(electrical inifies the weaer) and then 

ide semicondbinding to thas an antiboips can be apbacterial spordetection limto a concent

cted and typgh throughpnd laser‐indu

ection of fooography withsing ELISA‐onnt signals dirsor device shlmonella typseparation u

 variety of bnosine triphod enterococc

cal sensing enterface) assak signal gensoftware alg

ductor (CMOe corresponody immobilipplied on recres [16], ricinmit of 10e6 Ctration of 5pg

ped with setsut platform uced fluoresc

d‐borne pathh a lens‐free n‐a‐chip (EOCrectly from thhowed a detphimurium, anit [21]. 

iomolecules osphate (ATPci in drinking 

element (bioociated witherated upongorithms pro

OS) technoloding recognised on the scognition of n, M13 phagCFU/mL, Bacig/mL [18, 19

s of biorecogbased on cence of a nu

hogens was CMOS imageC) was alignehe EOC into ttection limit and about 65

which can sP) using bioluwater suppl

receptor) anhin a compacn binding of tocess sets of 

gy. The triggition elemenurface of thea variety of e, and α‐1 acillus anthraci9]. 

gnition eleme

ucleic acid 

developed be sensor (CISed with the Cthe sensors. of about 4 05 CFU/mL wh

erve as targeuminescencely on the bas

nd a ct device. Thetarget molecsignals to 

 

ger nt e 

cid is, 

ents 

by S). A CIS This 00 hen 

ets e is sis of 

e ules 

14 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Figu

Biosmonto shmoninte

 

3.11

Sincelecsma

Newhelpcan (muin exsmarapi

Freecom

cuh

e

ure 3: Concep

sensors mainnitoring systehipping sampnitoring of enrest coming 

1.1. Optical biosenso

ce the early dctronics, and aller, cheaper

w genetically ped to genernow be synttations) helpxtreme envirall, single‐chadly is an imp

e DNA originamplementary 

Samples: cell ulture samples, uman samples (blood, urine, saliva), food samples, 

environmental samples (air, water, soil, vegetation) 

pt of a biosen

nly arose throems to reducples to a cennvironmentafrom enviro

sensors withors) 

days of opticbiochemistrr and better 

engineered ate componethesised in vip to increaseronments. Foain antibodieportant miles

ating from pcapture‐olig

Eled

 

nsor [23, mo

ough environce the respontral laboratoal pollution anmental reg

h integrated

al biosensorry were madsystems [24

recognition ents of higheitro and selee stability aftor continuoues with high cstone [26–28

pathogenic ogonucleotide

Bioreceptor(s)antibod

ectrical interfacedevices, nanowir

ele

Tran

odified] 

nmental connse time andory. In this coand toxicity ingulatory agen

 biological re

s in the 1980e and this he4, 25]. 

molecules aer stability aected for uniqer exposure us monitoringcapacity to d8]. 

rganisms canes. Under les

Elemen

): cells, nucleic acdies, enzymes 

+ 

(s): field‐effect trre array, nanoparectrodes 

 

nsducers 

cerns for devd cost of polontext biosen air, water ancies. 

ecognition m

0s lots of discelped in acce

nd improvednd activity. Sque specificito heat or sog applicationdenature and

n be bound as stringent c

nts of a biose

cids, 

ransistor rticles, 

velopment olution contronsors are beand soil, with

molecules (o

coveries in oelerating the

d immobilisaSpecially desty. Moleculaolvents for sns, the develd renature re

and detectedconditions th

ensor 

Signa

Signa

D

Electro

of on‐site ol in compareing tested foh the primar

ptical 

optics, fluidic invention o

ation chemistigned antiboar modificatiotorage and uopment of epeatedly an

d by specific ese 

al amplifier 

↓ 

al processor 

↓ 

Display 

 

onic system 

 

ison or ry 

cs, f 

tries odies ons use 

nd 

15 

 

 

oligodeteor fesingDNA

But thanmol

To inby ahom

In a charrecoagenneedagentargusin[41–

A huimmwhosimu

Devlifetfluo

 

3.11

The empmorRNA

onucleotidesection of muew group spele chip hundA‐portions of

these short n DNA specifecules (e.g. p

ncrease sensa replicating emogeneous sy

classical wayracterised taognise each snts a huge nuded but evennts. Generic get identificang whole cell–42] and side

uge variety omobilised on ole organismultaneous de

elopment ofime fluorophrescent sign

1.2. Electrocgenosen

specific andployed for thre complex stA as receptor

s are even catated or closecific capturdreds of pathf potential pa

nucleotide cfically and fuproteins) [30

sitivity a weaenzyme afteystem, in co

y, both oligorgets. In thissingle target umber of recn then withorecognition tion are nees [36], cell reerophores [4

of different ohigh densitys have been etection. 

f new solid‐sthores counteals and dye‐f

chemical nucnsors) 

 sensitive inte detection tructures likers. This geno

 

apable of binsely related se moleculeshogen strainsathogens (re

chains (aptamrthermore g0–34]. 

ak signal can er target‐bindmbination w

onucleotides s case at leasof interest. cognition moout the proofapproaches ded urgentlyeceptors [3743]. 

oligonucleotidy arrays specused in com

tate optical deract problemfading/agein

cleic‐acid‐hy

teraction betof target‐DNe target protsensor techn

nding to closestrains of pat. If more oves can be deteesequencing 

mers) are ablgenerate sign

be amplifiedding to a DNAwith simple o

and antibodst one uniqueTo cover almolecules immf of total covfor the detey. In this con], carbohydr

des, antibodific for large 

mbination wit

devices, enzyms in measung. 

ybridisation b

tween nucleNA/RNA and teins, pollutanology with o

ely related Dthogens becerlapping nucected by seqarrays techn

le to bind annals upon com

d by a self‐reA construct (ptical compo

dies bind spee or better amost all possimobilised on verage of exiection of unktext differenates [38–40]

dies, carbohynumbers of th optical rea

ymes for sigurement of th

biosensors (

eic acid moleeven for theants or drugsoligonucleot

DNA‐sequencomes possibcleotides areuencing smanology) [29]. 

nd detect othmplex forma

eplicating cas(molecular monents) [35]

cifically to pa group of seible/probablmicroarrays sting and nenown agentsnt approache], anti‐micro

ydrates and ptarget moleadout system

nal amplificahe relatively 

RNA/DNA se

cules (hybride selective ms bound as litides of know

ces, thus ble with only e placed on aall characteri

her moleculeation with ta

scade catalysmachine in a . 

redicted, wensor molecue harmful would be wly arriving s without exes were madbial peptides

peptides, cules and evms for 

ation and lonweak 

ensors, 

disation) canonitoring of gands to DNwn sequence

 

one a istic 

es rget 

sed 

ell‐ ules 

xact e s 

ven 

ng‐

n be 

A or  

16 

 

 

immenvi

To fdevejuncpM‐

 

Figuhybrtetra

 

Figudevigene

The resucont

 

 

Pr

P

mobilised on ironmental p

urther improeloped: two ction structu‐range) with 

ure 4: DNA elrid temperatamethylbenz

ure 4 shows tice for the deerating terna

production ults show gootinuous mon

robe immob

Prehybridisa

sensor electpollution mo

ove sensitivitprobes that re) in the preincreased di

ectrochemicture; Tf, optizidine 

the working etection of tary DNA hyb

and handlingod reproducnitoring. 

bilisation 

ation 

 

rodes/surfacnitoring [44]

ty a so‐calleddo not hybresence of thiscrimination

cal biosensormal lower te

scheme of a arget sequenrids on an el

g of these staibility, but th

ces can be us]. 

d template‐eidise to eache target‐moln of single‐ba

r [46, modifiemperature;

multistep tences of the Mlectrochemic

able and reuhe need for l

sed in lab‐on

enhanced hyh other can flecule (downase mismatc

ed]; MCH, MHRP, horser

emperature‐Mycobacteriucal DNA sens

usable deviceabelling dye

n‐a‐chip‐dev

bridisation sorm a ternarn to concenthes [45]. 

Mercaptohexradish perox

regulated hyum tuberculosor [46]. 

es seems eass is still an is

ices for 

strategy was ry complex (ration in the

anol; Ti, initiidase; TMB, 

ybridisation osis by 

sy and the ssue for 

 

‘Y’  

ial 

17 

 

 

 

3.11

Wheenviorgacominte

DNAand metDNAinteriboand morout betwchanbe spath

 

Figu

 

1.3. Biosens

en organismsironment. Deanisms. Targemponents of cntional grow

Azymes‐techtheir specifithod is a specA pool to isolrest: for exanucleotide jQ are separre and fluorein the preseween the tarnge in seconselected and hogen‐derive

ure 5: Detect

ors using flu

s are growinetection of tet substanceculture mediwth of pathog

nology is basc reactions ccific selectiolate those enmple, the cleunction (R) tated after clescence intennce of targetrget moleculedary structuenriched fored target mo

ion of bacter

 

uorogenic DN

g they will rehese produces like metabia like antibiogens. 

sed on seconcatalysed by n procedurenzymes that eavage of a Dthat is flankeeavage, quensity will incrt molecules es and the pre and cleavr the producolecules are d

ria using fluo

NAzymes (de

elease somects indicates bolites, degraotics can be 

ndary structuthis species 

e for isolatingare able to cDNA–RNA ched by a fluoronching of therease (Figurederived frompotential labevage will taketion of an asdetected onl

orogenic DNA

eoxyribozym

 specific prothe presenceadation prodseen as a hin

ure of single‐of moleculeg DNAzymes catalyse a cehimeric substophore (F) ane fluorescene 5). If the sem a bacterial elled DNAzyme place. Thesssay system, ly in case of c

Azymes [47]

mes, DNA enz

ducts into the of the corrducts or tracent for uninte

‐stranded DNs. A prerequfrom a randrtain chemictrate at a sinnd a quencht light is not election procspecies, theme species wse candidatewhere the pcontaminatio

zymes) 

heir responding e amounts oentional or ev

NA moleculeuisite for thisdom‐sequenccal reaction ongle er (Q). Oncepossible any

cedure is carre interaction will trigger a ‐DNAzymes potential on [47]. 

 

of ven 

es  ce of 

 F y ried 

can 

18 

 

 

 

3.11

To sbiosWheSPR refra

A sp(LSPhybrchanwiththanbase

SPR antigtoolfor q

Biosviruswithscantechmol

BiomFor tbiomconf

 

3.11

Oncmoldeteapptech

1.4. Surface 

solve the prosensing technen analyte msensor the pactive index 

pecial type ofPR) with immridisation of nges with inch immobilisen one pM of e mismatche

technology gen‐antibod for the detequantificatio

sensors can bses and soluh hundreds onned using ghnique whereecules [51]. 

molecules cathe enhancemolecules caformation an

1.5. Nanopa

e designed aecules immoected, the wroach to ovehnology. 

plasmon res

oblem of mobnologies basmolecules in aproperties ofon the senso

f label‐free omobilised peptarget molecreasing thicd oligonucletarget DNA tes [49]. 

has been sucy reactions iection of anaon of bacteria

be used in pable macromof different imrating‐couple the angle a

n lose their ement and stn be embednd orientatio

rticles 

an array is caobilised on thhole array haercome this p

 

sonance bios

bile labelled ed on surfaca sample binf the biomoleor surface ch

optical bioseptide nucleic cules on theckness of theeotides and Ptogether wit

ccessfully usnstead of nualytes like proa [50]. 

arallel on micolecules. Themmobilised ced surface pat which cou

biological actabilisation oded in polymon [52]. 

apable of dethe array surfas to be comproblem of lo

sensors (SPR

oligonucleotce plasmon rnd to biorecoecular layer hanges [48].

nsors involveacids (PNAs surface is pe surface layePCR‐amplifieth increased 

sed in immunucleic acid hyoteins, drugs

croarray forme surface of capture moleplasmon resopling occurs 

ctivity duringof sensing pemer thin film

tecting targeface. Whenevmpletely redeow flexibility

R) 

tides in genoesonance (Sognition molechange with

es localised s) on gold‐caproceeding, ther. Even bettd samples, wselective dis

nosensors whybridisation. s, DNA, and m

mat for multthe gold‐coaecules (antibonance imagiis dependen

g immobilisaterformance ins with metal

et molecules ver new biolesigned or rey in planar m

osensors, labPR) have beeecules immo hybridisatio

surface plasmpped nanopahe light‐absoter results wewith a detectscrimination 

hen coupledThis seems tmicroorganis

tiplexed analated sensor cbodies or nucing, an opticnt on the cap

tion processen biochip del nanoparticl

according tological agenteformatted. Aicroarrays is

bel‐free opticen developeobilised on thon and the 

mon resonanarticles. Whiorbance streere obtainedtion limit of lagainst sing

 with specifito be a usefusms as well a

lysis of bactechip coveredcleic acids) isal diffractionpture of targ

es and ageinvices es to keep 

o the recognts have to beAn alternates nanoparticl

 

cal d. he 

nce ile ngth d ess le‐

c ul as 

eria, d s n et 

ng. 

ition e  e 

19 

 

 

In cospecsingdemmixtsuppdiffutrapcom

Nanoptiare 

Elecpotesupeself‐

 

3.11

MicrDNAmicrand expeFurtlike withmain

As nmorstruand templasundbios

 

oded‐particlecific nanobeale batch for 

manded, additure of particports reagenusion‐depenpped target inmpared to pla

oparticles (ecal excitatioable to enha

ctrowetting oential to couerhydrophilic‐cleaning pro

1.6. Automa

rofluidic techA chips, lab‐orofluidic systover sensingensive reagether reductiotarget precoh reagent, sentain reactio

new technolore implemenctures/shapesilicon and cperature or tic surfaces terstanding osensors of th

e assays the ads with discmultiplexed itional sets ocle sets [53, nt and sampldent reaction microfluidianar microar

e.g. gold or sn and signal ance surface 

of surfaces, anteract unspc to superhyocess and thu

ation by micr

hnology staron‐a‐chip tectems small vog surfaces anents and procon results frooncentrationeparation by on temperatu

ogies and mated the devies. Plastics acan be desigorganic solvto integrate of interactionis kind are st

 

detection elcrete recogntarget analy

of beads with54]. Use of te processingns and furthic systems. Trrays. 

ilver) of diffeintensity geplasmon res

a new approapecific bindinydrophobic aus can reduc

rofluidics 

ted in the eachnology, miolumes of flund thereforecessing/assaom improved, target sepausing solid‐pure. 

aterials for pces are shiftare a very flened for specents, or to sesensor chamns and improtarting to be

lement for eition surfaceysis. Whenevh distinguishtagged magng within micrer facilitatesTogether this

erent but unnerated on psonance (SPR

ach of nanotng when switnd back. Thice fouling [57

arly 1980s ancro‐propulsiuids move th reduce bothy times that d fabrication aration, sampphase mater

roduction ofed from planxible and chcial applicatioerve as wavembers within oved immobi marketed.

ach potentiaes, which arever further reable surfacenetic and nonrofluidic devis the concens will improv

iform size anplanar surfacR) and hence

technology utching/cyclins control of w7–59]. 

nd was emplon, and micrhrough differh costs by deare proporttechniques ple homogenials and on‐c

f microfluidicnar to three‐eap basic maons with proe guide. Bindfluidic systeilisation tech

al target conse mixed and pecognition ms can be addn‐magnetic nices by speedtration and pe automatio

nd shape cances in biosene avoid label

under investing the surfacwettability c

oyed in inkjero‐thermal terent process ecreasing reqional to liquiand integratnisation, mixchip tempera

c subsystems‐dimensionaaterial compperties like rding of biomoems needs behniques, but 

sists of a setprocessed inmolecules areded to the nanoparticlesding up purification oon and sensit

n influence nsors and theling [55, 56].

gation, has tce from can be used a

et printheadsechnologies.compartmequirements fid volumes. tion of procexing of sampature contro

s are more al pared to glassresistance toolecules on etter optical 

 

 of n a e 

s 

of tivity 

ey . 

the 

as a 

s, . In nts for 

esses les l to 

and 

s o 

20 

 

 

 

3.11

OnlihandAfteis peredu

Todapartconcelecwill 

Intereguon‐ccoursuppsoluphot

A newithcan servdiodFabrsystchan

A vadevepicoappwithmovcatcthe acce

1.7. System 

ne monitorided over to ter these pre‐erformed. If uction of com

ay biosensorticular compocept changesctronics, altohelp to desig

gration and ulation/contrchip pumps arse is not a sply is still a cutions for battocentres ar

ext step in simh the optical be used as sve as wavegudes and acqurication procems combinnnels are not

ariety of dispeloped for thomole concenlied to the cah catching mves all these ching molecusurface concelerates. Wit

integration t

ng needs conthe processianalysis stepfor example mplexity and

rs are generaonents such s the vision ogether it wilgn all‐in‐one

energy supprol to fulfil thand valves arignificant issritical probletteries have tre discussed 

mplifying thecomponentssurface for thuides for exciuisition of flucesses like phing optical ct yet availab

posable cartrhe market, lintrations of tartridge dispolecules thatnanoparticleules able to bcentration ofth activation 

 

to generate 

ntinuous or png unit, wheps, when thebiosensors a costs would

ally not deveas sampler, of a whole syl be more the microfluidic

ply of small phe needs of tre relatively sue in drinkinem and techto be develo[64, 65]. 

e system auts [66, 67]. Cahe immobilisitation of boorescence ehoto‐patternomponents le and under

idge systemske Philips’ Mtarget molecperses automt bind targetes to the biobind to a secof the target pof a second 

one device

periodic autoere biochemie analyte is pare integrated be achieved

eloped as a wconcentratoystem, includan the sum oc systems in 

pumps and vathe device issensitive to ng water. Onniques reducoped: microf

tomation is iapillaries diresation of recound fluoropmission by aning of glass integrated wr investigatio

s, but mainlyMagnotech tecules in bloomatically prelt proteins prsensor’s actiond site on tprotein increelectromagn

omated samistry within mrepared, deted in the samd. 

whole systemor, processording biochemof the parts the future [6

alves into ths a great chalinhomogenen the other sicing energy rluidic fuel ce

ntegration oecting the floognition molhores by emavalanche phfor the prodwith the senson [70]. 

y for diagnosechnology [7d or saliva. Aoaded magnesent in the ive surface, wthe target preases and thenet on the o

pling. Samplmicrofluidicstection by anmpler/concen

m, but are assr and detectomistry, fluidic[60, 61]. Imp62, 63]. 

e system andllenge todayeities in fluidide grid‐inderequirementells or biomim

of microfluidiow of samplelecules, and bedded lasehotodiodes [6uction of thesing surface w

stic purposes1] for the mA single dropnetic nanopasample. An which is coverotein. Durine binding propposite side 

les are then s takes place.n optical systntrator furth

sembled fromor. When thics, optics, proved softw

d their exact. Many of ths, which of ependent enets and surrogmetic 

ic componenes and reagesimultaneouer‐emitting 68, 69]. ese all‐in‐onewithin micro

s, is being easurement plet of blood rticles coverelectromagnered with g this procesocess of the react

 

. tem her 

m s 

ware 

t e 

ergy gate 

nts ents usly 

e o‐

of 

red net 

ss 

ion 

21 

 

 

chamfinistrap(FigubeamHowmagabsowhic

Catcthe 

Figuencl

Figu

 

mber only unsh this fast anpped now in ure 7). In them of LED‐lighwever, when gnetic nanoporption. A CMch are propo

ching molecuactive surfac

ure 6: Philips’losed in a dis

ure 7: Magne

nbound magnd well conta sandwich be absence of ht entering athe active su

particles, inteMOS image sortional to th

ules for sevece within the

’ Magnotechsposable cart

etic sample p

 

gnetic nanoprolled separabetween thetarget moleat a specific aurface of theensity of the sensor monithe amount of

ral different e sensor‐cart

h: Concept fotridge [71] 

processing w

articles are pation procede active surfaecules, total iangle from oe sensor insidreflected ligtors these inf attached na

proteins cantridge to perf

or a biosenso

ith opposite 

pulled away dure (Figure ace and attacinternal refleoutside, is refde the reactight is reducedtensity fluctanoparticles

n be immobiform multip

 

or with magn

electromagn

from the act6). The targeched nanopaection occursflected withoion chamberd by scatteriuations in th (see Figure 

lised to diffelex assays in 

netic sample 

nets [71] 

tive surface aet moleculesarticles s because a out any loss.r is occupied ng and he reflected l8). 

erent section one unit. 

processing u

 

and  are 

 by 

light, 

ns of 

unit 

 

22 

 

 

Figu

 

The handdete

Curremit[72]orga

Finatechelecand fluo

 

3.11

Selemecuptananopurinano

 

ure 8: Detect

full‐plastics dheld deviceection system

rently, opticatting diodes , adjustable anic photodio

ally, automathnologies. Foctrophoresis capillary elerescence det

1.8. Nanopo

ective transpchanism in orake/separatiochannels orfication and/ochannels. 

ion by frustr

disposable ce containing m, control el

al elements lwill be substorganic microdes (OPDs)

ted microfluior instance, ocan be coupectrophoresistection [76, 

ore technolog

ort in nanocrganisms foron of substar arrays ther/or preconce

 

rated total in

cartridge itseall the expenectronics, so

like CCD andtituted by inro‐lenses [73 [75]. 

dic systems on‐chip high‐pled to multi‐s of on‐chip 77]. 

gy — Nanoc

hannels (pror divergent pances. By mimreof can be dentration of 

nternal reflec

elf has no monsive compooftware and t

 CMOS detetegrated and3], organic lig

have the cap‐pressure liq‐spectral imaamplified DN

hannels as b

otein‐based irocesses likemicking this developed astarget molec

ction within t

oving or eleconents, the ethe read‐out

ctors, avaland miniaturiseght emitting 

pacity to comuid chromataging and opNA has been 

biosensors 

ion channelse electrical siprinciple fors specific biocules by tran

the biosenso

ctronic parts lectromagnet display. 

nche photoded flexible ordiodes (OLE

mbine differetography andptical spectrocombined w

s) is a widely ignalling or s new processensors [78]nsport throug

or [71] 

and plugs inets, optical 

iodes, and ligrganic filters Ds) [74] and

ent analyticad capillary ometry on‐chwith 

used biologiselective ses,  or for gh specific 

 

 

nto a 

ght 

d 

al 

hip, 

ical 

23 

 

 

3.11

Oxfobiosfabrbilaynitrinanomateasy

Whenanopassquesdisti

  

Figu

 

Oxfomolduri

A prporeMeaWheunzi

1.9. Oxford N

ord Nanoporsensors werericated in diffyer membraide, SiO2 or gopores or therials as hyby to modify. 

en setting a vopore. Meassing throughstion. Thus tinguish betw

ure 9: Oxford

ord Nanoporecule sequenng sequenci

rotein nanope‐proteins inasurable disren a complexips the doub

Nanopore Te

re was founde proposed. Nferent ways nes as biologgraphene witird, to improbrid nanopor

voltage acrosurement of  the pore or this system cween the fou

d Nanopore t

re sequencinncing concepng. 

pore of a fewnto a high eleruption in elex of DNA witle stranded 

 

echnologies

ded in 2005 aNanopores awith variousgical nanopoth holes prepove specificitres. Protein n

ss this memcharacteristnear its ape

can be used tr bases of DN

technology [7

ng (‘strand sept generating

w nanometerectronic resisectronic resisth enzyme atDNA and one

[79] 

around 10 yeare nano‐scas componentores or seconpared by focty, pore‐formnanopores ar

brane an ionic current dirture makesto identify taNA. 

79] 

equencing mg long reads 

s in diametestance membstance occurttaches to the strand ente

ears after thele holes in bats: first, porend, synthetic used ion or eming protein re usually ve

nic current issruptions cres it possible target protein

ethod’) is a 3without det

er is formed bbrane creaters while molee outer sideers the apert

e first conceparrier‐membe‐forming promaterials suelectron beacomplexes i

ery stable, re

 generated teated by largto identify thns, small mol

3rd generatiterioration o

by insertion/ed by synthetecules are pa of the pore ture of the p

pts of nanopbranes oteins in lipiduch as siliconams as solid sn synthetic producible a

through the ger moleculehe molecule iecules, or ev

on, single f accuracy 

/embedding tic polymersassing thougthe enzyme pore one bas

 

pore‐

d n state 

and 

es in ven 

of s. h. 

se at 

24 

 

 

a timcharthe 

As swithto aincointe

Futusilicoion oparabe agene

Nandetereplspee

The of gDNAlayeby oreso

Grappropfabrdeve

Revechardescin a 

Cell serv

me, changingracteristic elesequence da

uitable candh an aperturedapt the pororporation ofract with tar

ure generatioon nitride (Sor electron ballel processiachieved by terating hybr

opores withectors and gracement of ed. 

electrical poraphite) sepaA‐strand is paers could be sone at a timeolution. 

phene is a stperties and trication and pelopment be

erse transcriracterisationcribed here wdirect mann

debris, partive as biomar

g conductivitectronic fingata are gener

didate for proe of 1 nm, pere propertiesf specific binrget proteins

ons of nanopiNx) or silicobeams. Soliding but needthe integratiid pores. 

 integrated sraphene‐basionic current

otential on a arating two cassing througsufficient to e resolving th

trong and chtherefore wepore formatefore applica

ption is needn of RNA (PCRwould be appner. 

icular proteikers for cont

 

ty base by bagerprints by prated in real 

otein nanopoermeable fors to specific nding sites ors outside the

pore sensing on dioxide (Si‐state nanopds to reach chon of a prote

sensors like tsed nano‐gapt measureme

nanopore incompartmengh the pore distinguish bhe exact sequ

emically inerell suited as sion with preability in labe

ded as a preR, sequencinplicable as a 

ns or fragmetaminations 

ase. Particulapassing throtime. 

ore assemblyr many singleneeds includr DNA probese pore. 

devices couiO2) with porpore technolhemical specein pore com

tunnelling elp or edge staent at much 

n a thin memnts with ionic[80]. A transbetween theuence by gen

rt substancesensor matercise structurel free seque

requisite in mng, cloning). Nfuture tool t

ents thereof by pathogen

ar combinatiugh and dur

y is α‐hemolye molecules,de internal sts or attachm

ld consist ofres of variabogy is cheapcificity of promponent into

ectrode‐basate detectorshigher level 

mbrane of grac solutions cs‐electrode o four bases onerating typi

 with excellerial. The techre and edge cncing. 

most standaNanopore seto analyse an

released durnic bacteria.

ons of base ing decipher

ysin forming including Dtructural chaent of enzym

f synthetic mle size insertp and scalablotein nanopoo the solid‐st

ed detectorss are promisiof integratio

aphene (a sinan be measuof the thickneof the DNA‐mical signature

ent electrochhnique of mechemistry ne

rd procedureequencing tend character

ring cell deg

pairs give ring these sig

g robust poreNA. Techniqnges, mes or ligand

material like ted by focusee to highly ores. This coutate membra

s, capacitive ing methodson density an

ngle atomic lured while a ess of one‐atmolecule pases at high 

hemical embrane eeds further 

es for molecechnology rise RNA stra

radation cou

 

gnals 

es ues 

ds to 

ed 

uld ane 

s for nd 

layer 

tom‐ssing 

ular 

ands 

uld 

25 

 

 

For tanalspecthrodistifeasapta

Evenbactpois

The comcartexpe

Takemetearly(DNA

 

3.11

Elecautodiffeany 

Theyselerecodata91]. 

ETs typewideenzymemapp

the detectiolysis of protecifically to prough aperturinguishable ssible for simuamers. 

n molecules teria, envelosons could be

modular insmbinations ofridges — anderiments inc

en together thod of nucley warning syA, RNA, prot

1.10. Elect

ctronic tonguomatic systeerent brandspretreatmen

y usually conctive electroognition toola extraction a

can be desiges: electrochely used ET‐symatic sensombranes, eaclication of m

n of proteinseins by combroteins. Thesres and are dsignals. Thusultaneous de

like metabope proteins e detected b

strumentatiof nanopore md compatibleluding data c

nanopore seeic acid‐, proystem for patteins, metab

ronic tongue

ues started wms for qualits of various bnt in many a

nsist of sensoodes are wides (e.g. princiand analysis 

gned in varioemical‐voltasensors [96],ors — also knch coated wi

membrane so

 

s Oxford Nanbining nanopse complexesdetected, unbs mixtures ofetection of pr

lites or smalfrom viral orby the same t

on platforms,membranes we proprietarycollection an

ensing by Griotein‐ and smthogenic bacolites) with h

es (ET)  

with commerty control anbeverages likpplications [

or arrays witely used or epal componeof large amo

us architectuammetric [92, electrochemnown as biosith a differenlutions on th

nopore is devpores with aps attach to nbound aptamf different aproteins by se

l cell degradrigin, toxic prtechnology.

, GridION™ awith standary electronicsnd analysis in

dION™ Techmall moleculecteria by dethigh specific

rcial applicatnd are capabke mineral w[81–84]. 

h different eelectrochement analysis ounts of data

ures like elec2–95], electromical‐impedisensors [100nt lipid that che transduce

veloping tecptamers, shoanopores, bmers passingptamers for dequence ana

ation producroducts from

and Min IONrd semicondus that enablen real time.

hnology can se‐analysis anection of celity and sensi

ions in the fole of reliableaters, tea, m

electrodes (eical microsenand/or lineaa by various 

ctrodes or floochemical‐pimetric [97, 9]. ETs consistcan be easilyer‐core‐surfa

chniques for ort oligonucleut only aptag through givdifferent prolysis of their

cts derived fm industry, d

™, consists ouctor materie multiple pa

serve as a dird therefore l degradatioitivity in the 

ood industrye discriminatmilk, beer and

e.g. potentiomnsors) and paar discriminanumerical te

ow through cotentiometr98], optical [t of a series y manufacturaces or fitted

electronic eotides bindmers pass e oteins are r specific 

from pathogerugs, pesticid

of array chipsal within rallel 

rect electroncan provide n products future. 

y as fast, ion betweend juices with

metric ion‐attern nt analysis) fechniques [8

cells and senric, the most [99] or of polymer red by  onto a plast

 

ing 

enic des, 

s —

nic an 

n out 

for 85–

nsor 

tic 

26 

 

 

tubechan

SomAnrifrom101]

Advsensworof m

Disamemsigncounfoul

For tranreagbe csyst

As atongtheycovechem

Origfoodcontinvamodas coNevthe 

 

 

e. When thisnges in a cha

me examples itsu Corp., Atm Alpha MOS]. 

antages of iosors, are inexking principl

molecules and

advantages ambrane surfaal baseline (nteracted bying layers or

monitoring onsducers is prgents) and thcoupled sequems (e.g. ho

a next step ingues in varioy consist of cered by memmosensitive 

ginally develodstuff, many tamination) asive medicadern fabricatomponents iertheless, imanalysis of tr

 ET is in contaracteristic w

for commertsugi (Japan)S (France) an

on selective expensivenesse, a high levd miniaturisa

are the depenace propertiebaseline insty constant ter correlation 

of water quareferable behe response tuentially withomogenisatio

ntegrated senus applicatiocore‐bodies (mbranes of pcomponents

oped mainly new applicaand industril diagnosticstion technoloin mobile elemprovement race amount

 

tact with a saway and the r

rcially availab) and Intellignd the Multia

electronic tos, easy fabricel of flexibiliation potent

ndence on tees by adsorptability/drift emperature, to the signa

ality calibratecause of redtime. On theh different tyon, filtering, d

nsor arrays wons (e.g. food(e.g. epoxy‐golyvinylchlors to form pot

for automatations were fal process ms (analysis of ogies and maectronic tongconcerning ts of substan

ample, the eresulting sign

ble systems aent Sensor Tarray chemic

ongue, the mcation procety in modifictial. 

emperature ption of solutin long‐timerinsing the el of a referen

ed flow‐throducing the sae basis of moypes of sensodilution, etc.

were developd productionglass laminatride or polyutentiometric

tic online qufound in envmonitoring (phuman bodyaterials will ague devices adetection limnces dissolve

electrical potnal pattern c

are the TasteTechnology ocal sensor fro

most popular sses, simple cation of sele

and matrix ction compone measuremeelectrodes wnce solution.

ugh analysis mple volumodular flow‐cors and/or w.) [102, 103]

ped and succn and cell cule or low temurethane incc sensor laye

ality control ironmental (harmaceuticy fluids). Minallow the proable to analymits is needed in drinking

ential of thecorresponds 

e Sensing Sysof Kanagawa om McScienc

type of poteset‐up, knowectivity for va

changes, alteents and fouent) which caith solvents . 

with miniate (and consucell systems twith various p. 

cessfully testlture monitomperature coluding variours [104]. 

in the produ(e.g. monitorcal industry) niaturisationoduction of iyse small voled to be sensg water. 

e membranesto taste. 

stem from (Japan), ASTce (Korea) [8

entiometric wledge of ariable speci

erations of uling, changian be or applying a

urised umption of these units cpretreatmen

ted as electroring). Usuallofired ceramus 

uction of ring of waterand non‐ together wintegrated arume samplesitive enough

 

s 

TREE 85, 

ies 

ng 

anti‐

can nt 

onic ly ics) 

r 

ith rrays es. h for 

27 

 

 

3.11

Elecand in a datawhicanotand spec

Appprod

A necarbconcone calc

 

3.12

The withthis In ‘ufromanalthe dedspec

Unfomonthe mora reincre

Nextprom

1.11. Elec

ctronic nosesdata compuway that noa‐sets are thech are compther. Curreninvolve techctroscopy [10

lications for duction, shel

ew generatiobon nanotubcentration rafM when naium ion sign

2. Next gene

first system h 20 million bnew technoultra deep’ sem a sample alysed in a higdifferences auced from dcies and thei

ortunately thnitoring yet. last 8 years sre than EUR 5duction fromeased and co

t‐next genermising as a c

ctronic nose

s consist of thuting system.n‐specific seen analysed ared to eachtly e‐nose sehniques like q05]. 

EN technololf‐life, freshn

on of EN, thee transistorsange of one anovesicles dal pathways 

ration seque

in the markebases (20 melogy every siequencing apnd thousandghly parallel are specific fatabases andr relative am

hese NGS tecThey are quishowed a dr500 down tom several dayomes close t

ration sequeandidate for

 

es (EN) 

hree compon. The EN‐conensors generby multivarih other and sensors are mquartz crysta

ogy in the fooness and auth

e bioelectrons and are ablpM. This senderived from[107]. 

encing (NGS)

et, the 454 Gegabases or 2ingle sequenpproaches Dds or even mway. After afor each specd the numbemount in the 

chniques froite expensiveamatic decreo much less tys to a few ho one Tb pe

ncing or bettr online sequ

nents: sampncept aims toate signals uate statisticsshow if one smade of mateal microbalan

od industry ahenticity [10

nic noses cone to recogninsitivity can e real cells inv

) [108–110]

Genome Seq20 Mb) per rnce is visible DNA‐sectionsmillions of thelignment of cies — qualiter of hits. Theinvestigated

m different se and laborioease in pricethan EUR 0.1ours. On ther run (teraba

ter to say ‘thuencing. Adv

le processingo mimic the mupon interacts algorithms sample is simerials like orgnce, gas‐chro

are focused o06]. 

nsist of olfactse specific oeven be impvolve human

uencer 20 frrun. Unlike wand not cove present in aese ampliconthese more tative and que result is knd sample. 

suppliers do ous with regae for a megab1, and hands‐e other side,ase or trillion

hird generatiantageous is

g system, demammalian tion with odoto determin

milar to or difganic polymeomatography

on monitorin

tory receptodorants beloroved to a den olfactory re

rom Roche, swith classical ered by backall bacteria ans are sequenor less similauantitative mnowledge ab

not allow reard to preanbase, which d‐on‐time/timoutput was n of bases).

on sequencis the reducti

etection systeolfactory sysorants. These patterns fferent fromers, metal oxy or mass 

ng of 

r proteins anow a etection limieceptors and

started in 200sequencing,kground signre amplified nced and ar sequencesmeasures canout the diffe

eal‐time onlinalysis steps dropped fromme‐to‐result wgreatly 

ng’ looks veron of 

 

em stem e 

 ides, 

nd 

it of d 

05 , in nals.  

s — n be erent 

ne but m with 

ry 

28 

 

 

preaelemnanoOnliof hBLAS

OneBiosobseby anucl(Figubacksurfone preaintrolengin parelat(e.g

Figu

analytical stements like USopores and ine computinighly pathogST [111]. 

e available sinsciences [112ervation voluadding nucleoleotides labeure 10). Thiskground is mace on a singmolecule ofanalytic PCR‐oduced to thgths of 8 500arallel. At prtively low ac. 20‐fold seq

ure 10: Single

eps but DNA SB sticks harintegrated seng algorithmgenic agents 

ngle molecu2] employs thume of 20 zeotides from aelled with fou technique a

minimised by gle DNA‐polyf DNA is suffi‐amplificatiohe market in  and 30 000 esent, disadccuracy for siuencing will

e molecule re

 

still has to bbouring all semiconductos connectedby comparin

le real‐time she ‘zero modeptoliter (1zLa pool/mixtuur dyes correallows the deZMW and seymerase moicient for seqon procedure2010/11, SMbases, respevantages of ingle reads, w increase acc

eal‐time seq

be purified anystem compor detection  to these senng with publi

sequencing (de waveguidL = 10e‐21L).ure of four pesponding toetection of veequencing islecule immoquencing andes and reducMRT now genectively, in 15this system awhich can becuracy to 99

uencing (SM

nd concentraponents like mand data acqnsors could sic or special d

(SMRT) teche’ (ZMW) pr Sequencinghospholinkeo the four difery weak flus carried out bilised on thd therefore oes time to renerates aver50 000 ZMWare instrumee improved b.999 %). 

MRT) by Pacif

ated. Develomicrofluidicsquisition unisearch onlinedatabase co

nology deverinciple with  by synthesised hexaphospfferent typesorescent sigvery close tohe bottom ofobviates the esult dramatage and max

W‐holes on a ent costs, sizby increasing

ic Bioscience

opment of sms, chips with ts is on the we for sequenllections like

loped by Paca single s is carried ophate s of nucleotidnals as o the detectif the hole. Oneed for ically. First ximum read‐sequencing e/weight ang the coverag

es [113] 

 

mall 

way. nces e 

cific 

out 

des 

ion nly 

‐chip d a ge 

29 

 

 

 

 

3.13

Anahaveincluhosp(off‐

 

 

 

 

4.

Our ther(temavaiin a and analbactonlytheypoteonlinqua

Moswayin wdeteenvicartsevequitand 

3. Epidemiolo

lyses of outbe shown the uding immedpitals, health‐flavour) sen

Summary/

water supplrefore need cmperature orlable and werapid and retheir specifilytical techniteria and proy commerciay are just surential of any ne‐capable blity paramet

st of the sumy to becominwater quality ection technoironmental mridges need eral times. Ele promising reagent cos

ogy and ‘hum

breaks of waimportance diate reportih insurance dnsations/obse

/discussion 

ly networks acontinuous er turbidity) aell establisheeliable way, ecity and seniques for ageotozoa are tilly available rrogate‐indicpathogen. Ebroadband seers that cann

mmarised tecg more and control (Tabology of chemonitoring, fautomated electronic tonand are rapits, becoming

 

man sensors

terborne disof completeng of incidendata on drugervations fro

are exposed examinationnd chemical ed for onlineeliminate falsitivity is sufents like strome‐consumiand widely ucators that giEarly identificensor systemnot be monit

chnologies shmore viable ble 1). Biosenmical and bifood safety aexchange dengues, especidly developg smaller and

s’ 

seases from te epidemiolonts by the opg‐reimbursemom the popu

to deliberat. Yet, numerparameters monitoring se alarms, arfficient for thong biologicaing. Parametused online tive unspecification of conm. At presenttored in real

hown here ain fulfilling tnsors, for exaological anaand security.evices or havially for moning by improd easier to h

the last decaogical and enperator, rapidment, visual (lation [114, 

te or accidenrous systems like ions andin flow‐throre easy to haheir applicatial poisons or ters like turbtools to indicc and vague ntaminants int there are a‐time. 

re technicallthe needs forample, a raplytes can be  Neverthelese to be cleannitoring toxicoving capabilandle. They 

ades in differnvironmentad case‐repor(turbidity) an115]. 

ntal contamins to measured organic comugh systemsandle, operation. But at prpathogens l

bidity or free cate threats hints for then drinking wa number of i

y not maturer online monid, sensitive used in medss, single‐usened/rinsed tocity, and elecities, reducincould be app

rent countriel data‐sets rting from nd olfactoria

nation and  physical mpounds ares. They respote economicresent, ike viruses, chlorine arebut ultimatee growth 

water requireimportant w

e yet but on nitoring devicand specific dical diagnose, disposableo be reused ctronic nosesng productioplied for 

 

es 

al 

e ond cally 

e the ely 

s an water 

the ces 

tics, e 

s are on 

30 

 

 

montrihaelecpath

 

 

 

Met

Rea

Hyb

Imm

Enzy

Electong

NancoatDNA

Nan

 

Tabl

 

Othefar agenetech

 

 

nitoring of pealomethanesctronic tonguhogen detect

thod 

l‐time‐PCR 

ridisation 

munology 

ymatic 

ctronic gue/nose 

oparticles ted with A, antibodies

opores 

le 1: Techniq

er systems (Taway from beration evenhnologies. 

esticides, ens, nitrosaminues develop rtion perform

Analytes 

DNA, (RN

DNA, RNA

proteins 

metabolit

soluble/vsubstance

s 

DNA, RNAproteins, molecules

DNA, RNAproteins, molecules

ques used in 

Table 2) like eing suitablen more, are e

 

docrine disrunes and volatrapidly, therming compara

Se

A)  hig

A  me

me

tes  me

olatile es 

me

A, 

s 

me

A, 

s 

mehig

biosensors; 

mass spectre for online mevolving extr

upting comptile organic ce are no comably to chem

nsitivity 

gh

edium 

edium 

edium

edium 

edium 

edium– gh 

(a) available

rometry or nmonitoring inremely rapid

pounds, pharcompounds. mmercially avmical sensors

Costs  Mar

low avai

low  avai

low  avai

low avai

low  avai

low  avai

low  in demen

e mainly for m

ext generatin the field, bly and are th

rmaceuticalsAlthough biovailable sens (e.g. pH sen

rket  R

lable (a) m

lable (a)  m

lable (a)  m

lable (a) m

lable  p

lable  mem

evelop‐nt 

pss

medical diag

on sequencibut NGS espeherefore very

, osensors andsors for nsors). 

Remarks 

microfluidics,

microfluidics,

microfluidics,

microfluidics 

potential for 

magnetic, puenrichment, tmicrofluidics 

potential for equencing (sequencing) 

nosis 

ng seem to becially, and thy promising 

 

d 

, (multiplexin

, multiplexin

, multiplexin

miniaturisat

rification, transportatio

3rd generatisingle molec

be hird 

31 

ng)

g 

g 

tion

on, 

ion ule 

 

 

Met

Nextsequ

Flowmicr

Surrorga

Masspec

Ramspec

Infraspec

Flow

 

Tabl

 

In thabsedevisyst

It cacharto in

 

 

 

thod 

t generationuencing 

w through roscopy 

rogate anisms 

ss ctroscopy 

man ctroscopy 

ared ctroscopy 

w cytometry 

le 2: Other te

he meantimeent in the maiations from ems. 

an be concludracterise watncrease wate

Analyte 

n  DNA, (RN

cells, particles 

toxins 

(bio‐) molecules

cells 

organic compoun

cells, particles 

echniques 

e, as long as arket, surrognormal wate

ded that moterborne threr security. 

 

Sensit

A)  high

mediuhigh 

mediu

s mediuhigh 

mediuhigh 

ds mediu

mediuhigh 

specific broagate technoloer quality to 

re effort in rreats in real‐t

ivity  Cost

high

m– high

m  med

m–  high

m–  med

m  med

m–  medhigh

adband sensogy is highly compensate

research has time and add

ts  M

h noth

h inde

dium  av

h  cowte

dium  inde

dium  inde

dium– h 

inde

ors for wateappreciatede this lack in 

to be underditional fund

Market 

o flow hrough 

n evelopment 

vailable 

ombination with other echniques 

n evelopment 

n evelopment 

n evelopment 

rborne pathd as an indicaspecific earl

rtaken to ideds have to be

Remarks 

miniaturisgeneratio

smaller d

small dev

miniaturisdifficult/n

small dev

small dev

microfluidminiaturis

ogens are ator for y warning 

ntify and e made avail

 

sation in 3rdon sequencin

evices possib

vices 

sation not possible?

vices possible

vices possible

dics, sation possib

able 

32 

d ng? 

ble

? 

e 

e 

ble 

 

 

5. R

[1] F

[2] E

[3] h

[4] h

[5] SHartR., FWar7(6)

[6] S

[7] K

[8] P(201

[9] hauto

[10]

[11]

[12]Rep.

[13]

[14]82(1

[15]H. (2

[16]78. 

[17]Olei

eferences: 

Füchslin, H. P

El Mallahi, A.

http://www.

http://www.

Sampath, R., ter, C., BoganFrinder, M., Lrren, R., Esho:e36528. 

Schie, I. W. a

Kong, L., Zha

Patil, C. A., A12), Biomed. 

http://www.omated‐way

 Asiello, P. J.

 Niessen, L., 

 Chen, Z., Lia. 38(6):4063–

 McLoughlin

 Li, H., Sun, Z13):5477–83

 Lê, H. Q, Ch2010) Talant

 Dill, K.; Mon

 Dill, K., Monnikov, A. V. (

P., Kötzsch, S

., Minetti, C. 

iosb.fraunho

bbe‐moldae

Mulholland,n, J., MirandLovari, R., Yaoo, M. W., H

nd Huser, T.

ng, P., Setlow

Arrasmith, C. Opt. Express

fraunhofer.d‐to‐test‐drin

. and Baeum

Luo, J., Dens

ao, Y., Ke, X.,–70. 

n, K. S. (2011

Z., Zhong, W. 

hebil, S., Makta 81(4‐5):12

ntgomery, D

ntgomery, D(2004), Biose

 

S., Keserue, H

and Dubois,

ofer.de/servl

enke.de 

, N., Blyn, L.a, M. S., Smisuda, I., Matall, T. A., Hof

 (2013), App

w, P. and Li,

L, Mackanoss. 3(3):488–5

de/en/press/king‐water‐5

ner, A. J. (20

schlag, C. an

, Zhou, J., Ch

), Brief Funct

., Hao, N., Xu

krouf, B., Sau250–7. 

.; Wang, W.

. D., Ghindiliens. Bioelect

H. A. and Egl

, F. (2013), A

let/is/16952

B., Massire,ith, D., Baldwtthews, H., Tfstadler, S. A

pl. Spectrosc.

Y. Q (2011), 

s, M. A., Dick502. 

/research‐ne5.html 

011), Lab. Ch

d Vogel, R. F

en, Y., Gao,

t. Genomics 

u, D. and Che

uriat‐Dorizon

and Tsai, J. (

s, A. L., Schwtron. 20, 736–

i, T. (2010), C

Appl. Opt. 52,

 

C., Whitehowin, C., WolcToleno, D., HA. and Ecker,

 67(8):813–2

J. Biomed O

kensheets, D

ews/2013/ok

ip. 11(8):142

F. (2013), Foo

L., Chen, Q. 

10(6):342–5

en, H. Y. (201

n, H., Mandra

2001), Analy

warzkopf, K. –742. 

Cytometry A

, A68–A80.

use, C. A., Wcott, M., Norwousley, R., DD. J. (2012),

28. 

pt. 16(12):12

. L., Mahade

ktober/lasers

20–30. 

od Microbiol

and Yu, S. (2

3. 

10), Analyt. C

and, B. and K

ytica chimica

R., Ragsdale,

. 77(3): 264–

Waybright, N.wood, D., KrDuncan, D., Li PLoS One. 

20503. 

evan‐Jansen,

s‐offer‐an‐

l. 36(2):191–

2011), Mol. B

Chem. 

Korri‐Yousso

a Acta., 444, 

, S. R. and 

 

–74. 

, reft, i. F., 

 A. 

–206. 

Biol. 

ufi, 

69–

33 

 

 

[18]

[19](Bas

[20]GilleSens

[21]Bioe

[22]37(1

[23]

[24]Ams

[25]

[26]and 

[27]Cum

[28]Biospp. 4

[29]Ligle

[30–8:54

[31]

[32]

[33]

[34]Scre

 http://www

 Wojciechowsel), 10(4):33

 Gehring, A.,espie, B., Hegsors (Basel), 

 Jeon, J. W., electron. 52:3

 Delahaye, E15):3689–36

 http://en.w

 Ligler, F. S. asterdam: Else

] Ligler, F. S. (

 Goldman, EMattoussi, H

 Goldman, Emmins, L. B. a

 Liu, J. L., Ansensors: Toda469–492. 

 Lin, B., Waner, A. G., Ma

–34] Tan, W.47–553. 

 Brody, E. N.

 O’Sullivan, C

 Bunka, D. H

 Rajendran, eening 5:263–

w.combimatr

wski, J., Danle351–62. 

, Barnett, C.,gde, N., Jone13(5):5737–

Kim, J. H., Le384–90. 

E., Welté, B., 96. 

wikipedia.org

and Taitt, C. evier, 2008, 

(2009), Analy

. R., Clapp, AH. (2004), An

. R., Andersoand Hayhurst

derson G. P.ay and Tomo

ng, Z., Vora, Glanoski, A. P

, Wang, K. an

. and Gold L.

C. K. (2002), 

H. and Stockle

M., Ellington–270. 

 

rix.com 

ey, D., Coope

, Chu, T., Debes, K., Lin, J., –48. 

ee, J. M., Lee

Levi, Y., Leb

/wiki/Biosen

R, editors, O688 pp. 

lyt. Chem. 81

A. R, Andersonalyt. Chem.

on, G. P., Liu,t, A. (2006), A

., Da, P., Hayorrow, Ligler,

G. J., Thornto. and Santiag

nd Drake, T.

 (2000), Revi

Analytical a

ey, P. G. (200

n A. D. (2002

er, J., Yazven

bRoy, C., D’SOliver, S., Pa

e, W. H., Lee,

lon, G. and M

nsor 

Optical Biose

1(2): 519–526

on, G. P., Uye76:684–688

, J. L., DelehaAnalyt. Chem

yhurst, A., Db, F. S, Taitt, C

on, J. A., Schgo J. (2006), 

J. (2004), Cu

iews in Mole

nd Bioanalyt

06), Nat. Rev

2), Combinato

nko, N., Taitt

ouza, D., Eakaoli, G., Pere

, D. Y. and Pa

Montiel, A. (2

nsors: Today

6. 

eda, H. T., M8. 

anty, J. B., Shm. 78:8245–8

b, P. and GoldC. R., editors

nur, J. M., ThGenome Res

urrent Opinio

ecular Biotec

t. Chem. 372

v. Microbiol.

orial Chemis

t, C. R. (2010

ker, S., Frataera, A. and U

aek, S. H. (20

2003), Wate

y and Tomor

auro, J. M., 

herwood, L. J8255. 

dman, E. R., . Amsterdam

hach, D. C., Bsearch. 16:52

on in Chemic

hnology 74:5

2:44–48. 

4:588–596.

try & High T

), Sensors 

mico, P., knalis, J. (20

014), Biosens

r Research 

row, 

Medintz, I. L

J., Osborn, L

Optical m: Elsevier; 2

Blaney, K. M27–535. 

al Biology 

5–13. 

Throughput 

 

13), 

s. 

L. 

. E., 

008. 

., 

34 

 

 

[35]1165

[36]17:8

[37]395

[38]Bioe

[39]20:1

[40]

[41]77:6

[42]121

[43]and 

[44]

[45]25(4

[46]Nan

[47]

[48]

[49]77(2

[50]

[51]S., L

 Willner, I., S5. 

 Rodriguez, M843–849. 

 Subrahman1. 

 Ngundi, M. electron. 21:1

 Fukui, S., Fe1011–1017. 

 Disney, M. D

 Kulagina, N6504–6508. 

 Kulagina, N:150–157. 

 Kim, H. Y, EsPowers, L. S

 Palchetti, I. 

 Zhang, J., Ch4):815–9. 

 Hong, G., Linomedicine 7

 Aguirre, S. D

 Piliarik, M., 

 Endo, T., Ke21):6976–84

 Dudak, F. C.

 Marusov, GLagoy, J., Law

Shlyahovsky,

M., Sanders,

yam, S., Pile

M, Taitt, C. R1195–1201. 

eizi, T., Galus

D. and Seebe

. V., Lassman

. V., Shaffer,

stes, C. R., DS. (2004), Eng

and Mascini

hen, J. H., Ch

u, Y., Chen, W7:4953–60. 

D., Ali, M. M

Vaisocherov

erman, K., Na. 

. and Boyaci,

., Sweatt, A.wrence, D. A. 

 

, B., Zayats, M

, C. A. and Gr

tsky, S. A. an

R., McMurry

stian, C., Law

erger, P. H. (

n, M. E., Ligle

 K. M, Ligler,

uncan, A. G.gineering in M

i, M. (2008), 

hen, R. C., Ch

W., Weng, S

., Kanda, P. a

vá, H. and Ho

agatani, N., T

, I. H. (2009),

, Pietrosimo and Lynes, M

M. and Willn

reenbaum, E

nd Turner, A.

y, S. A., Kahn

wson, A. M., C

2004), Chem

er, F. S. and T

, F. S. and Ta

, Wade, B. DMedicine an

Analyst 133

hen, G. N. an

., Liu, Q., Liu

and Li, Y. (20

omola, J. (20

Takamura, Y.

, Biotechnol.

ne, K., BensoM. A. (2012)

ner, B. (2008)

E. (2002), Bio

. P. F. (2002)

e, D. and Lig

Chai, W. (200

mistry & Biolo

Taitt, C. R. (2

itt, C. R. (200

D., Cleary, F. Cd Biology Ma

(7):846–54.

d Fu, F. F. (2

, A., Zheng, D

012), J. Vis. Ex

009), Method

. and Tamiya

 J. 4(7):1003

on, D., Geary, Environ. Sc

), Chem. Soc.

osensors and

, Analyt. Che

ler, F. S. (200

02), Nat. Bio

ogy 11:1701–

2005), Analyt

07), Sens. Ac

C., Lloyd, C. agazine, IEEE

009), Biosen

D. and Lin, X

xp., 28 May 

ds Mol. Biol. 

a, E. (2005), A

3–11. 

y, S. J., Silbari. Technol. 46

. Rev. 37:115

d Bioelectroni

em. 74:3942–

06), Biosens.

technol. 

–1707. 

t. Chem. 

ct. B. Chemic

R., Ellis, W. RE. 23:122–12

ns. Bioelectro

. (2012), Int.

(63). pii: 396

503:65–88. 

Analyt. Chem

rt, L. K., Chall6(1):348–59

 

53–

ics 

–

 

cal. 

R., Jr 29. 

on. 

 J. 

61. 

m. 

la, . 

35 

 

 

[52]41:4

[53]C. A

[54]

[55]J. M

[56]

[57]

[58]Micr

[59]Lang

[60]

[61]

[62]Lab 

[63]

[64]S. (2

[65]128

[66]

[67]

[68]D. P

[69]89:1

 Prakash, S.,43–53. 

 Cheng, M. M., Nijdam A. 

 Bake, K. D. a

 Rolland, J. P. (2004), Cur

 Pandey, P. (

 Lee, J., He, B

 Cooney, C. Grofluid. Nano

 Boduroglu, gmuir. 23:11

 West, J., Be

 Gauglitz, G.

 Mott, D. R.,on a Chip 6:

 Erickson, D.

 Cardenas‐V2003), Sens. A

 Chobin, E. R:54–60. 

 Psaltis, D., Q

 Monat, C., D

 Ligler, F. S., . and Sadik, 

 White, I. M.191106. 

 Chakrabarty

M. C., Cuda, J., Terraccian

and Walt, D.

P., Maynor, Brr. Opin. Collo

(2008), Analy

B. and Patan

G., Chen, C. Yofluid. 2:435

S., Cetinkaya1391–11395.

ecker, M., To

 (2005), Ana

 Howell, P. B540–549. 

. and Li, D. (2

Valencia, A. MAct. B. Chem

R., Markoski,

Quake, S. R. a

Domachuk, P

Breimer, M.O. A. (2002),

., Oveys, H., 

 

y, T., Singh, A

G., Bunimovno, R., Thund

 R. (2008), A

B. W., Euliss,oid Interface

yt. Letts. 41:

nkar, N. A. (2

Y., Emerling,–446. 

a, M., Dressi 

mbrink, S. an

alyt. Bioanaly

B, Golden, J.

2004), Analyt

M, Challa, V. mical. 2003, 9

 L. J., Wiecko

and Yang, C.

P. and Egglet

., Golden, J. , Analyt. Che

Fan, X., Smit

A. K. and Sha

vich, Y. L, Gasdat, T. (2006

Ann. Rev. Ana

L. E., Exner,e Sci. 9:278–2

159–209. 

005), J. Micr

, M. R., Nadi

ck, W. J., Sin

nd Manz, A. 

yt. Chem. 381

P., Kaplan, C

tica Chimica 

R., Fries, D., 95:406–413.

owski, A., Ke

 (2006), Nat

ton, B. J. (200

P., Nivens, Dem. 74:713–7

th, T. L. and Z

ahi, V. K. (201

spari, M, Hea6), Curr. Opin

alyt. Chem. 1

A. E., Deniso283. 

romechan. M

m, A. and Ste

ngh, A. and D

(2008), Anal

1:141–155.

C. R., Ligler, F

Acta 507:11

Langebrake.

enis, P. J. A. (2

ure 442:381–

07), Nat. Pho

D. A., Dodson719. 

Zhang, J. (20

13), Biosens.

ath J. R., Hill n. Chem. Biol

1:515–547. 

on, G. M. and

Microengin. 1

erling, J. D. (

Demirel, M. C

lyt. Chem. 80

F. S. and Oran

1–26. 

. L., Benson, 

2004), J. Pow

–386. 

otonics 1:106

n, J. P., Green

006), Appl. Ph

 Bioelectron

H. D., Mirkinl. 10:11–19. 

d DeSimone,

15:591–600. 

2006), 

C. (2007), 

0:4403–4419

n, E. S. (2006

R. F., Bhansa

wer Sources 

6–114. 

n, T. M., Had

hys. Letts. 

 

. 

n, 

, 

9. 

6), 

ali, 

ers, 

36 

 

 

[70]D. W

[71]07_m

[72]A. J.

[73]19:4

[74]

[75]Phys

[76]

[77]456.

[78]

[79]

[80]Natu

[81]141(

[82]Mar

[83]

[84]

[85]

[86]

[87]135

 Applegate, W. M. (2007),

http://wwwmagnetic_bi

 Hofmann, O and deMell

 Dong, L., Ag401–405. 

 Shinar, J. an

 Kraker, E., Hs. Letts. 92:0

 Liu, C. N., To

 Prakash, A. . 

 de la Escosu

 http://www

 Garaj, S., Huure 467 (731

 Cetó, X., Gu(3):2533–40

 Gutiérrez‐Crtínez, M. C. 

 Ciosek, P., B

 Ciosek, P. a

 Ciosek, P., W

 Bratov, A., A

 Riul, A. Jr, D:2481–2495.

R. W. Jr, Sch, J. Optics A: 

w.newscenterosensor.wpd

O., Wang, X., o, J. C. (2006

garwal, A. K.,

nd Shinar, R. 

Haase, A., La033302–0300

oriello, N. M

R, De la Ros

ura‐Muñiz, A

w.nanoporete

ubbard, W., 12), 190–193

utiérrez‐Capit. 

apitán, M., Sand Jiménez

Brzózka, Z. an

nd Wróblew

Wróblewski, 

Abramova, N

Dantas, C. A. . 

 

afer, D. N., APure Appl. O

r.philips.comd#.UrHJfRBa

Cornwell, A6), Lab on a C

, Beebe, D. J.

J. (2008), Ph

mprecht, B.,005. 

. and Mathie

a, C., Fox, J. 

A. and Merko

ech.com 

Reina, A., Ko3. 

tán, M., Calv

Santiago, J. Lz‐Jorquera, C

nd Wróblew

wski, W. (201

W. (2007), A

N. and Ipatov

R, Miyazaki,

Amir, W., SquOptics., 9:S12

m/main/standkoE 

., Beecher, SChip, 6:981–9

. and Jiang, H

hys. D: Appl. 

 Jakopic, G.,

es, R. A. (200

D. and Kaler

oçi, A. (2012)

ong, J., Brant

vo, D. and de

L., Vila‐PlanasC. (2013), J. A

ski, W. (2004

1), Sensors (

Analyst 132:9

v, A. (2010), A

 C. M. and O

uier, J, Vesta22–S128. 

dard/news/b

S., Raja, A., B987. 

H. (2007), Ad

Phys. 41:133

Konrad, C. a

06), Analyt. C

r, K. (2008), M

), ACS Nano.

ton, D. and G

el Valle, M. (2

s, J., LloberaAgric. Food C

4), Sens. Actu

Basel), 11(5)

963–978. 

Analyt. Chim

Oliveira, O. N

ad, T., Oakey

backgrounde

radley, D. D.

dvanced Mat

3001–13302

and Köstler, S

Chem. 78:547

Microfluid. N

6(9):7556–8

Golovchenko,

2013), Food 

, A., Boso, S.Chem. 61(39)

uat. B. 103:7

): 4688–4701

m. Acta 678:1

. Jr (2010), A

, J. and Marr

ers/2010/201

. C., deMello

terials (FRG) 

7. 

S. (2008), Ap

74–5479. 

Nanofluid. 4:4

83. 

, J. A. (2010)

Chem. 

, Gago, P., :9325–32. 

76–83. 

1. 

149–159. 

Analyst 

 

r, 

1001

o, 

ppl. 

451–

, 

37 

 

 

[88]2):2

[89]

[90]

[91]

[92]

[93]Elec

[94]J. A.

[95]112

[96]J. An

[97, Bioe

[98]Valle

[99]

[100

[101Jime

[102

[103the 21 J

[104Acta

[105

 Woertz, K., 56–71. 

 Escuder‐Gil

 del Valle, M

 Rudnitskaya

 Winquist, F

 Cetó, X, Gutctroanalysis 2

 Parra, V., Ar (2006), Sens

 Apetrei, C., :403–409. 

 Vlasov, Y. Gnalyt. Chem.,

98] Pioggia,electron. 22:2

 Cortina‐Puige, M. (2007),

 Collins, B. E

0] Gutiérrez, 

1] Codinachsenez‐Jorquer

2] Gutes, A., 

3] MarkiewicIon‐Selectiveuly. 

4] Toczyłowsa 163:89–95.

5] Baldwin, E

Tissen, C., K

abert, L. and

M. (2010), Ele

a, A. and Leg

. (2008), Mic

tiérrez, J. M.23:72–78. 

rrieta, A., Fes. Actuat. B. 

Rodríguez‐M

G., Ermolenko, 65:890–898

 G., Di Franc2618–2623. 

g, M., Muno, Talanta 72:

., Anslyn, E. 

M., Alegret,

s, L. M. I., Klora, C. (2008),

Cespedes, F

cz, J., Taff, J.,e Electrode f

ska‐Mamińsk. 

E. A., Bai, J., P

 

leinebudde,

d Peris, M. (2

ectroanalysis

gin, A. (2008)

crochim. Acta

, Moreno‐Ba

rnández‐Esc118:448–45

Méndez, M. L

o, Y. E., Legin8. 

cesco, F., Ma

z‐Berbel, X., :774–779. 

V. (2007), Ch

, S. and del V

oock, J. P., Sc, Analyst 133

. and del Val

 Wysocki, B. for Water Qu

ka, R., Ciosek

Plotto, A. and

P. and Breit

2010), Analyt

 22:1539–15

), J. Microbio

a 163:3–10.

arón, L., Aleg

udero, J. A., 3. 

L. and de Saj

n, A. V., Rudn

rchetti, A., F

Alonso‐Lom

hem. Eur. J. 1

Valle, M. (200

honing, M. J3:1440–1448

le, M. (2007

and Wróbleuality Monito

k, P., Ciok, K. 

d Dea, S. (20

kreutz, J. (20

t. Chim. Acta

555. 

ol. Biotechno

gret, S. and D

Rodríguez‐M

a, J. A. (2005

nitskaya, A. M

erro, M., Ah

millo, M. A., M

13:4700–470

08), Biosens.

., Baldi, A., I8. 

), Analyt. Ch

ewski, W., Mooring, Polish 

and Wróble

011), Sensors

011), Int. J. P

a 665:15–25.

l. 35:443–45

Del Valle, M. 

Méndez, M. L

5), Sens. Actu

M., Kolodnik

luwalia, A. (2

Munoz‐Pascu

08. 

 Bioelectron

patov, A., Br

im. Acta 600

odular Flow‐Patent 3843

wski, W. (20

s (Basel) 11(5

Pharm. 417(1

 

51. 

(2011), 

L. and de Saj

uat. B. 111–

ov, V. V. (20

2007), Biosen

ual, F. J. and d

. 23:795–802

ratov, A. and

0:90–96. 

‐Through Ce364, 2008 

008), Microch

5):4744–66. 

 

1–

a, 

10), 

ns. 

del 

2. 

 

ll of 

him. 

38 

 

 

[106

[107Park

[108

[109

[110

[111

[112

[113

[114(200

[115

 

 

 

6] Peris, M. a

7] Hye Jun Jink, Seunghun 

8] http://ww

9] http://ww

0] http://ww

1] http://ww

2] http://ww

3] Metzker, M

4] Beaudeau,08), J. Water 

5] Hrudey, S.

and Escuder‐

na, Sang HunHong, (2012

ww.roche‐app

ww.illumina.c

ww.lifetechno

ww.ncbi.nlm.n

ww.pacificbio

M. L. (2010), 

, P., de Valk,r Health, 6(4)

 E., Hrudey, 

 

‐Gilabert, L. (

n Leeb, Tae H2), Biosensors

plied‐science

com 

ologies.com

nih.gov 

sciences.com

Nat. Rev. Ge

 H., Vaillant,):491–503. 

E. J. (2007), 

 

(2009), Analy

Hyun Kimc, Jus and Bioelec

e.com 

m 

enet. 11(1):3

 V., Mannsch

Water Sci. T

yt. Chim. Act

uhun Parka, ctronics 35(1

31–46. 

hott, C., Tillie

Technol. 55(5

ta 638(1):1‐1

Hyun Seok S1), 335–341. 

er, C., Mouly

5):239–47. 

15. 

Song,Tai Hyu

y, D., Ledrans

 

un 

s, M. 

39 

 

 

 

 

 

40 

European Commission EUR 26495 EN – Joint Research Centre – Institute for the Protection and Security of the Citizen (IPSC) Title: Review of monitoring techniques for biological contaminants Authors: Peter Hufnagl, AGES - Institut für medizinische Mikrobiologie und Hygiene Luxembourg: Publications Office of the European Union 2013 – 37 pp. – 21.0 x 29.7 cm EUR – Scientific and Technical Research series – ISSN 1831-9424 ISBN 978-92-79-35422-9 doi:10.2788/68535 Abstract Water quality is a critical factor to public health worldwide. Accidents in past and present documented the vulnerability of our water supply chain. Therefore fast, reliable, sensitive and cheap water-monitoring systems are needed, working independently at a low level of maintenance and hands on time. Today there are only limited technologies to monitor pathogenic agents available on the market. The following review should give an overview about the major technologies being developed and evaluated today and could have potential as monitoring systems in the near future.

z

As the Commission's in-house science service, the Joint Research Centre's mission is to provide EU policies with independent, evidence-based scientific and technical support throughout the whole policy cycle. Working in close cooperation with policy Directorates-General, the JRC addresses key societal challenges while stimulating innovation through developing new methods, tools and standards, and sharing its know-how with the Member States, the scientific community and international partners.

LB-NA-26495-EN

-N