استخدام الإرسال الضوئي غير عادية لقياس المؤشرات الحيوية القلب في مصل الدم البشري
Summary
ويصف هذا العمل أسلوب الطباعة حجرية نانويمبرينتينج اختﻻق صفائف الاستشعار عالية الجودة التي تعمل على أساس مبدأ الإرسال الضوئي غير عادية. بيوسينسور هي منخفضة التكلفة، وقوية، وسهلة الاستخدام، ويمكن الكشف عن القلب تروبونين الأول في المصل عند التركيزات ذات الصلة سريرياً (99th المئين استقطاع ∼10-400 بيكوغرام/مل، اعتماداً التحليل).
Abstract
حاسمان لمنصة بيوسينسينج لأهميتها السريرية في إعدادات نقطة من الرعاية (POC)، حساسية المقايسة وإمكانية تكرار نتائج، والقدرة على رصد موثوق تحليلها على خلفية مصل الدم البشري.
واستخدمت نانويمبرينتينج الطباعة الحجرية (النيل) اختﻻق، بتكلفة منخفضة، الاستشعار عن مناطق كبيرة بقدر 1.5 x 1.5 مم. وقدم سطح الاستشعار عن المصفوفات عالية الدقة من نانوهوليس، كل منها تبلغ مساحتها حوالي 140 نيوتن متر2. إمكانية تكرار نتائج عظيمة للنيل جعلت من الممكن توظيف استراتيجية واحد رقاقة واحدة-قياس 12 الأسطح المصنعة على حدة، مع اختلاف الشريحة إلى شريحة ضئيلة. هذه الرقائق الرنين () السطحية مأكل مثل الطحين نانويمبرينتيد مترجمة تم اختبارها بشكل مكثف على قدرتها على قياس موثوق بها بيواناليتي بتركيزات تتراوح بين 2.5 نانوغرام/مل 75 وسط الخلفية من مجمع بيوفلويد في هذه الحالة، البشرية المصل. الدقة العالية للنيل يتيح توليد مجالات الاستشعار الكبير، الذي بدوره يلغي الحاجة مجهر، كما هذا بيوسينسور يمكن أن يكون ربطه بسهولة مع مصدر ضوء مختبرية متاحة عموما. يمكن كشف هذه أجهزة استشعار العوامل البيولوجية تروبونين القلب في المصل مع حساسية عالية، في حد من الكشف عن (اللد) 0.55 نانوغرام/ملليلتر، التي ذات الصلة سريرياً. وتبين أيضا انخفاض التباين رقاقة رقاقة (بسبب الجودة العالية لعملية التصنيع). النتائج المتناسبة مع مقايسة الممتز المستخدمة على نطاق واسع المرتبط بالانزيم (ELISA)-على أساس فحوصات، ولكن الأسلوب الذي يحتفظ بمزايا منصة الاستشعار المستندة إلى لسبر (أي، الانقياد للتصغير والمتنوعة، مما يجعل من أكثر جدوى للتطبيقات الجسيمي).
Introduction
وكانت أجهزة الاستشعار الكيميائية استناداً إلى صفائف نانوهولي موضوعا للعديد من التحقيقات منذ التقرير الأول بشأن انتقال البصرية غير عادية (محكمة تكافؤ الفرص) نشرته ايبسن et al. في عام 19981. عندما يمس الضوء على صفائف الدورية للهياكل نانوهولي الأبعاد الفرعية للطول الموجي، يحدث انتقال المحسن عند أطوال موجية محددة. يحدث هذا عند الحادث الضوء الأزواج مع موجه بلوخ بولاريتون السطحية (وزن الجسم-SPP) و/أو المترجمة البلازمونات السطحية (LSP)2.
مبدأ المادية الكامنة وراء استغلال عندما بيوسينسينج مع مثل هذه الصفائف الدوري بسيط. التغييرات امتزاز الجزيئات على أو بالقرب من الواجهة من المعدن الثابت من وسيلة اتصال مع المعدن، يتحول بدوره موقع نطاقات الإرسال في الطيف. ويمكن تعديل الطيف نفسها بنانو-هندسة الشكل والحجم، وفصل المسافة3،،من45. حسب التصميم، لديها أجهزة استشعار تستند محكمة تكافؤ الفرص نطاقات مميزة في تلك الأطياف التي تيسر القيام بمهام محددة6،،من78 خلال التحقيق في أحداث الربط الجزيئية. هذه ميزة حاسمة على المنصات مأكل مثل الطحين السطحية المتاحة تجارياً الرنين (موارد البرنامج الخاصة).
أجهزة الاستشعار عادة باستخدام محكمة تكافؤ الفرص تشمل مصدر ضوء بصريا الانحياز أن شعاع وتحديدالمنطقه حادث على سطح الاستشعار. تقنيات لتوليد الأسطح نانوهولي الكبيرة، مثل قوالب البوليمر المشترك والتدخل والطباعة الحجرية نانوسفيري، يكون للفقراء إمكانية تكرار نتائج9. بسبب هذه القيود في اختﻻق دقة السطوح الكبيرة التي تظهر ظاهرة محكمة تكافؤ الفرص، مجهر ضوئي كان المطلوب بشكل صحيح وضع مصدر الضوء وكاشف. واستخدمت لتبسيط تقنية، الطباعة الحجرية نانويمبرينتينج عالية الجودة (لا شيء)10 . وهذا مكن إنتاج أجهزة الاستشعار كبيرة المساحات السطحية11 (الحجم ملم)، إزالة الحاجة مجهر للبحث عن سطح الاستشعار على شريحة. بدلاً من ذلك، هذا الاستشعار يمكن ربطه بسهولة مع كابل الألياف بصرية قياسية.
منذ قمم الإرسال لهذا الصفيف نانوهولي ترد في مرئية إلى المنطقة القريبة من الأشعة تحت الحمراء (الجرد)، أنها مناسبة تماما لاستشعار ربط أحداث للجزيئات الحيوية في بيئة مائية. تمت محاكاة السلوك المتوقع بصري من الصفيف نانوهولي. ثم تم التحقق من النتيجة من خلال دراسات مع السوائل القياسية الانكسار الفهارس (RI). هذا الصفيف ثم استخدمت لقياس تركيز تروبونين القلب الأول (كتني) في الخلفية المعقدة لمصل الدم البشري. كتني هو معيار الذهب السريرية لتشخيص احتشاء عضلة القلب الحاد.
استخدام أجهزة الاستشعار هذه، من الممكن لكشف وتحديد كتني في مصل الدم البشري في حد من الكشف عن (اللد) 0.55 نانوغرام/ملليلتر، التي ذات الصلة سريرياً. الكشف أسرع بكثير من التكنولوجيا الأكثر استخداماً في هذا المجال، المرتبط بالانزيم المرتبط بالانزيم (ELISA). وعلاوة على ذلك، على سطح الاستشعار يمكن بسهولة أن إعادة إنشاء وإعادة استخدامها لذلك. ومن ثم، يوضح هذا العمل وعد نانوهولي صفائف كتكنولوجيا (POC) نقطة من رعاية قابلة للاستمرار بيوسينسينج داخل بيوفلويدس المعقدة.
Protocol
Representative Results
Discussion
محاكاة التفاعل بين الحادث الضوء والنانو يجعل من الممكن تحديد ذروة المناسبة (في الطيف انتقال)، التحول الذي يمكن أن تسجل كدالة لتركيز أكثر. من المهم أن نلاحظ أن إضفاء الطابع المحلي على العصابات فيما يتعلق بهيكل جهاز استشعار حاسما في اختيار الفرقة الصحيحة، يمكن تعقب الذي تحول الشعور أكثر. يم?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
AP تعترف بالدعم من زين فينكاتيسان T، المدير، علم جامعة سنغافورة الوطنية ومبادرة تقنية النانو ومكتب نائب الرئيس (جامعة سنغافورة الوطنية) (R-398-000-084-646). وتسلم مركز التنمية المحلية الدعم من “سنغافورة وزارة للصحة الوطنية مجلس البحوث الطبية” تحت الطبيب عالم التمويل مخططها، نمرك/وكالة الفضاء الكندية/035/2012، وجامعة سنغافورة الوطنية. وكان الممولين أي دور في تصميم الدراسة أو جمع البيانات والتحليل، وقرار نشر أو إعداد المخطوطة.
Materials
| Electron Beam Lithography setup | Elionix ELS 700 | ||
| o-Xylene | Sigma Aldrich | 95662 | |
| EB resist | Sumitomo | NEB-22A2 | |
| Developer reagent | Shipley Company | Microposit MF 321 | |
| Electroplating machine | Technotrans AG RD 50 | ||
| Photoresist stripper | Rohm and Haas Electronic Materials LLC | Microposit Remover 1165 | |
| Etching System | Trion Phantom | ||
| Heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl)trichlorosilane | Gelest (PA, USA) | 78560-44-8 | |
| SAM coater | Sorona Inc. | AVC 150M | |
| Photo-curable NIL resist | micro resist technology GmbH | mr-UVCur21-300nm | |
| Light Curing System | Dymax | Model 2000 Flood | |
| E-beam deposition machine | Denton Explorer | ||
| UV-visible spectrometer | Ocean optic HR2000+ (Dunedin, FL, USA) | ||
| Standard refractive index liquids | Cargill Inc (Cedar Grove, USA) | 18032 | |
| Plotting software | Origin | Origin Pro 9 | |
| 10-carboxy-1-decanethiol | Dojindo Laboratories (Japan) | C385-10 | |
| 1-octanethiol | Sigma-Aldrich, MO, USA | 471386 | |
| Sulfo-N-hydroxysuccinimide and 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide | BioRad (CA, USA) | 1762410 | |
| Anti-troponin antibody 560 | Hytest (Finland) | 4T21 | |
| Ethanolamine-HCl solution | BioRad (CA, USA) | 1762450 | |
| Surface Plasmon Resonance setup | BioRad XPR36 (Haifa, Israel) | ||
| Multiplexed SPR chip | BioRad | GLC | |
| Human cTnI standard | Phoenix Pharmaceuticals | EK -311-05 | |
| Glycine-HCl | BioRad (CA, USA) | 1762221 |
Referenzen
- Ebbesen, T. W., Lezec, H. J., Ghaemi, H., Thio, T., Wolff, P. Extraordinary optical transmission through sub-wavelength hole arrays. Nature. 391 (6668), 667-669 (1998).
- Krishnan, A., et al. Evanescently coupled resonance in surface plasmon enhanced transmission. Optics Comm. 200 (1), 1-7 (2001).
- Yang, J. -. C., et al. Enhanced optical transmission mediated by localized plasmons in anisotropic, three-dimensional nanohole arrays. Nano letters. 10 (8), 3173-3178 (2010).
- Kim, J. H., Moyer, P. J. Transmission characteristics of metallic equilateral triangular nanohole arrays. Appl Phys Lett. 89 (12), 121106 (2006).
- Liu, H., Lalanne, P. Microscopic theory of the extraordinary optical transmission. Nature. 452 (7188), 728-731 (2008).
- Shon, Y. -. S., Choi, H. Y., Guerrero, M. S., Kwon, C. Preparation of nanostructured film arrays for transmission localized surface plasmon sensing. Plasmonics. 4 (2), 95-105 (2009).
- Xiang, G., Zhang, N., Zhou, X. Localized surface plasmon resonance biosensing with large area of gold nanoholes fabricated by nanosphere lithography. Nanoscale Res Lett. 5 (5), 818 (2010).
- Valsecchi, C., Brolo, A. G. Periodic metallic nanostructures as plasmonic chemical sensors. Langmuir. 29 (19), 5638-5649 (2013).
- Gates, B. D., et al. New approaches to nanofabrication: molding, printing, and other techniques. Chem Rev. 105 (4), 1171-1196 (2005).
- Guo, L. J. Nanoimprint lithography: methods and material requirements. Adv Mater. 19 (4), 495-513 (2007).
- Wong, T. I., et al. High throughput and high yield nanofabrication of precisely designed gold nanohole arrays for fluorescence enhanced detection of biomarkers. Lab on a Chip. 13 (12), 2405-2413 (2013).
- Deng, J., Wong, T. I., Sun, L. L., Quan, C., Zhou, X. Acceleration of e-beam lithography by minimized resist exposure for large scale nanofabrication. Microelect Eng. 166, 31-38 (2016).
- Wu, L., Bai, P., Li, E. P. Designing surface plasmon resonance of subwavelength hole arrays by studying absorption. JOSA B. 29 (4), 521-528 (2012).
- Ding, T., et al. Quantification of a cardiac biomarker in human serum using extraordinary optical transmission (EOT). PloS one. 10 (3), 0120974 (2015).
- Im, H., Sutherland, J. N., Maynard, J. A., Oh, S. -. H. Nanohole-based surface plasmon resonance instruments with improved spectral resolution quantify a broad range of antibody-ligand binding kinetics. Anal Chem. 84 (4), 1941-1947 (2012).
- Bhagawati, M., You, C., Piehler, J. Quantitative real-time imaging of protein-protein interactions by LSPR detection with micropatterned gold nanoparticles. Anal Chem. 85 (20), 9564-9571 (2013).
