Détection optique de<em> E. coli</em> Bactérie par mésoporeux Silicon biocapteurs
Summary
Un biocapteur optique sans étiquette pour la détection de bactéries rapides est introduit. Le biocapteur est basé sur un silicium poreux nanostructuré, qui est conçu pour capter directement les cellules des bactéries cibles sur sa surface. Nous utilisons des anticorps monoclonaux, immobilisés sur le transducteur poreux, comme les sondes de capture. Nos études démontrent l'applicabilité de ces biocapteurs pour la détection de concentrations bactériennes faibles en quelques minutes sans traitement préalable de l'échantillon (telle que la lyse cellulaire).
Abstract
Un biocapteur optique sans étiquette basée sur une nanostructure poreuse de Si est conçu pour la saisie rapide et la détection de bactéries Escherichia coli K12, comme un micro-organisme du modèle. Le biocapteur repose sur la liaison directe des cellules des bactéries cibles sur sa surface, tandis qu'aucun traitement préalable (par exemple par lyse cellulaire) de l'échantillon étudié est nécessaire. Un film mince de Si mésoporeux est utilisé comme élément de capteur optique du biocapteur. Sous éclairage en lumière blanche, la couche poreuse affiche motifs de franges de Fabry-Pérot bien résolus dans le spectre de réflectivité. En appliquant une transformée de Fourier rapide (FFT) pour les résultats des données de réflectivité dans un seul pic. Les variations de l'intensité du pic FFT sont surveillés. Ainsi, les bactéries cibles capturer sur la surface du biocapteur, par des interactions anticorps-antigène, induit des changements mesurables dans l'intensité des pics de la FFT, permettant une observation «en temps réel» de l'attachement de bactéries.
nt "> Le film de Si mésoporeux, fabriqué par un procédé d'anodisation électrochimique, est conjugué avec des anticorps monoclonaux, spécifiques de la bactérie cible. L'immobilisation, immunoactivité et la spécificité des anticorps sont confirmées par des expériences de marquage par fluorescence. Une fois que le capteur biologique est exposée à l' bactéries cibles, les cellules sont directement capturés sur la surface de Si poreux anticorps modifié. Ces événements de capture spécifiques entraînent des changements d'intensité dans le film mince spectre du biocapteur optique interférentiel. Nous démontrons que ces biocapteurs peuvent détecter des concentrations relativement faibles de bactéries (détection limite de 10 4 cellules / ml) en moins d'une heure.Introduction
Précoce et précise l'identification des bactéries pathogènes est extrêmement important pour la sécurité alimentaire et de l'eau, surveillance de l'environnement, et le point-of-care diagnostic 1. Les techniques traditionnelles de microbiologie sont longues, laborieuses, et n'ont pas la capacité de détecter des micro-organismes en "temps réel" ou à l'extérieur de l'environnement de laboratoire, les biocapteurs évoluent pour répondre à ces défis 2-5.
Au cours des dernières années, le Si poreux (PSI) a émergé comme une plate-forme prometteuse pour la conception de capteurs et biocapteurs 6-20. Cours de la dernière décennie, de nombreuses études concernant les capteurs et biocapteurs optiques à base de PSI-ont été publiés 21,22. La couche nanostructurée PSi est typiquement fabriqué par gravure électrochimique anodique à partir d'un monocristal de Si plaquette. Les nanomatériaux PSi obtenus présentent de nombreuses caractéristiques avantageuses, comme une grande surface et le volume libre, tailles de pores qui peuvent être contrôlés et accordable optipropriétés cal 10,16. Les propriétés optiques de la couche de PSi, comme photoluminescence 8,11 et lumière blanche interférométrie à base de réflectance 7,19, sont fortement influencées par les conditions environnementales. Capture d'analytes voyageurs molécules / cible à l'intérieur des résultats de couches poreuses à une variation de l'indice de réfraction moyen de la pellicule, comme une modulation observée dans le spectre de photoluminescence ou sous forme de décalage de longueur d'onde dans le spectre de réflectivité 10.
Bien que la grande innovation dans la technologie des biocapteurs optiques PSi, il n'y a que peu de rapports sur les plates-formes à base de PSI-pour la détection de bactéries 6,8,20,23-29. En outre, la plupart de ces études de preuve de concept ont démontré «indirecte» de détection des bactéries. Ainsi, en général, avant la lyse des cellules est nécessaire pour extraire les fragments de protéine / ADN ciblés, caractéristiques de la bactérie étudiée 29. Notre approche consiste à saisir directement les bactéries ciblescellules sur le biocapteur psi. Par conséquent, les anticorps monoclonaux, qui sont spécifiques à une cible, les bactéries, sont immobilisés sur la surface poreuse. La liaison de cellules de bactéries, par l'intermédiaire d'interactions anticorps-antigène, à la surface du biocapteur induire des changements dans l'amplitude (intensité) du spectre de réflectivité de 24 à 26.
Dans ce travail, nous rapportons sur la construction d'un biocapteur à base de PSI-optique et de démontrer son application comme les biocapteurs plate-forme sans étiquette pour la détection d'Escherichia coli (E. coli) K12 (utilisées comme un micro-organisme modèle). L'surveillés le signal optique est de la lumière réfléchie à partir de la nanostructure PSi raison de Fabry-Pérot mince film interférence (Figure 1A). Les variations de l'amplitude / intensité de la lumière sont corrélés à l'immobilisation spécifique des cellules des bactéries cibles sur la surface du biocapteur, permettant une détection rapide et une quantification des bactéries.
Protocol
Representative Results
Discussion
Un immunocapteur optique sans étiquette, sur la base d'un Psio 2 nanostructure (un film mince de Fabry-Pérot) est fabriqué, et son application potentielle comme un biocapteur pour la détection de bactéries est confirmée.
Modifications et dépannage
L'une des préoccupations majeures lors de la conception d'un immunocapteur est la sensibilité des anticorps à subir des changements de conformation non souhaitées pendant le dépôt et la …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par la Fondation sciences Israël (subvention n ° 1118-1108 et n ° subvention 1146-1112) et le Fonds de recherche Memorial Kroll Minna. ES reconnaît avec gratitude le soutien financier de la Berrie Nanotechnology Institute Russell.
Materials
| Name of Reagent/Material | Company | Catalog Number | Comments |
| Si wafer | Siltronix Corp. | Highly-B-doped, p-type, 0.0008 Ω-cm resistivity, <100> oriented | |
| Aqueous HF (48%) | Merck | 101513 | |
| Ethanol absolute | Merck | 818760 | |
| PBS buffer solution (pH 7.4) | prepared by dissolving 50 mM Na2HPO4, 17 mM NaH2PO4, and 68 mM NaCl in Milli-Q water (18.2 MΩ) | ||
| Saline 0.85% w/v | prepared by dissolving 0.85 g NaCl in 100 ml Milli-Q water (18.2 MΩ) | ||
| 95% (3-Mercaptopropyl)trimethoxysilane (MPTS) | Sigma Aldrich Chemicals | 175617 | |
| PEO-iodoacetyl biotin | Sigma Aldrich Chemicals | B2059 | |
| Streptavidin (SA) | Jackson ImmunoResearch Labs Inc. | 016-000-114 | |
| Fluorescein (DTAF)-streptavidin | Jackson ImmunoResearch Labs Inc. | 016-010-084 | |
| Biotinylated-rabbit IgG | Jackson ImmunoResearch Labs Inc. | 011-060-003 | |
| Fluorescently tagged anti-rabbit IgG | Jackson ImmunoResearch Labs Inc. | 111-095-003 | |
| Fluorescently tagged anti-mouse IgG | Jackson ImmunoResearch Labs Inc. | 115-095-003 | |
| Biotinylated E. coli antibody | Jackson ImmunoResearch Labs Inc. | 1007 | |
| E. coli (K-12) | was generously supplied by Prof. Sima Yaron, Technion |
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