באמצעות תמסורת אופטית יוצאת דופן לכמת סמנים לב בנסיוב אדם
Summary
עבודה זו מתאר שיטה ליתוגרפיה nanoimprinting ליצור מערכים חישה באיכות גבוהה עובד על העיקרון של תמסורת אופטית יוצאת דופן. החיישן הוא בעלות נמוכה, עמיד, קל לשימוש, ניתן לזהות טרופונין לב אני בנסיוב בריכוזים הרלוונטית קלינית (99th אחוזון הקיצוץ ∼10-400 pg/mL, בהתאם וזמינותו).
Abstract
עבור פלטפורמה biosensing כי בשלב של טיפול (POC) הגדרות הרלוונטיות הקלינית, מכריעים assay רגישות, הפארמצבטית ויכולת לפקח באופן אמין analytes רקע של נסיוב אדם.
ליתוגרפיה Nanoimprinting (אפס) נעשה שימוש כדי לבדות, במחירים נמוכים, חישה אזורים גדולים כמו 1.5 מ”מ x 1.5 מ”מ. השטח חישה עשוי באיכות גבוהה מערכים של nanoholes, כל אחד עם שטח של-140 nm2. הפארמצבטית נהדר של ניל אפשרו להעסיק אסטרטגיה שבב אחד, אחד-מדידה על 12 משטחים המיוצרים באופן אינדיבידואלי, עם וריאציה צ’יפ לצ’יפס-מינימלי. האסימונים תהודה (LSPR) nanoimprinted מקומי פלזמון משטח נבדקו בהרחבה על היכולת למדוד באופן אמין bioanalyte בריכוזים משתנה מ- 2.5 עד 75 ננוגרם למ”ל בינות הרקע של מתחם biofluid-in הנסיוב הזה במקרה, אנושי. דיוק גבוה של אפס מאפשר הדור של שטחים גדולים חישה, אשר בתורו מבטלת את הצורך מיקרוסקופ, כפי ביוסנסור הזה ניתן לממשק בקלות עם מקור אור מעבדה זמין נפוץ. ביולוגיים אלה ניתן לזהות טרופונין לב בנסיוב עם רגישות גבוהה, על גבול של זיהוי (לוד) של 0.55 ng/mL, אשר הרלוונטית קלינית. הם גם מראים סטיית צ’יפ לצ’יפס-נמוך (בשל האיכות הגבוהה של תהליך ייצור). התוצאות הן commensurable עם immunosorbent מקושרים-אנזים הנמצא בשימוש נרחב assay (אליסה)-לפי מבחני, אך הטכניקה משמרת את היתרונות של פלטפורמת חישה מבוסס LSPR (קרי, amenability ועד המזעור ריבוב, שהופך אותו יותר ריאלי עבור יישומים POC).
Introduction
חיישנים כימיים בהתבסס על מערכים nanohole היו נושא חקירות רבות מאז הדו ח הראשון על שידור אופטי רגיל (EOT) פורסם ע י Ebbesen. et al. ב 19981. כאשר אור שפוגע מערכים תקופתי של מבנים nanohole של הגל משנה מידות, תמסורת משופרת מתרחשת באורכי גל מסוימים. דבר זה מתרחש כאשר האירוע אור זוגות עם בלוך משטח polariton (BW-SPP) ו/או לשפות אחרות משטח plasmons (LSP)2.
העיקרון הפיזי הבסיסי לנצלה כאשר biosensing עם מערכים תקופתי כזה היא פשוטה. ספיחה של מולקולות אל או בקרבת הממשק של מתכת משתנה קבוע דיאלקטרי של המדיום בקשר עם המתכת, בתורו ומזיזה את המיקום של הלהקות שידור בספקטרום. ניתן להתאים את הספקטרום עצמה על ידי ננו-הנדסה צורה, גודל, ההפרדה מרחק3,4,5. על ידי עיצוב, חיישנים בהתבסס על EOT יש להקות אופייני שלהם ספקטרה המאפשרים הקצאות6,7,8 במהלך החקירה של אירועים איגוד מולקולרית. זהו יתרון מכריע על פלטפורמות תהודה (SPR) זמינים מסחרית פלזמון משטח.
חיישנים באמצעות EOT בדרך כלל כרוכים מקור אור אופטית מיושר כך קרן מקבילות הוא האירוע על פני חישה. טכניקות ליצירת משטחים גדולים nanohole, כגון תבניות פולימר שיתוף ו הפרעות-ליתוגרפיה nanosphere, יש עניים הפארמצבטית9. בשל מגבלות אלה במדויק בדיית משטחים גדולים המציגים את התופעה EOT, במיקרוסקופ אופטי נדרשה כראוי למקם את מקור האור ואת גלאי. כדי לפשט את הטכניקה, ליתוגרפיה באיכות גבוהה nanoimprinting הועסק (אפס)10 . זו אפשרה הייצור של חיישן גדול פני שטחים11 (מ מסולם), להסיר את הצורך מיקרוסקופ לחפש את פני השטח חישה על שבב. במקום זאת, חיישן זה יכול לממשק בקלות עם כבל סיב אופטי סיבים סטנדרטי.
מאז הפסגות שידור למערך הזה nanohole הכלולים הנראה לאזור-סגול (ניר), זה מתאים באופן מושלם כדי חישה איגוד אירועים עבור מולקולות סביבה מימית. הפעולה אופטי הצפוי של המערך nanohole היה מדומה. התוצאה אומתה מכן באמצעות מחקרים עם נוזלים של השבירה סטנדרטי אינדקסים (RI). מערך זה שימש אז כדי למדוד את הריכוז של טרופונין לב אני (cTnI) על רקע מורכב בנסיוב אדם. cTnI הוא תקן זהב קליניים לאבחון של אוטם אקוטי.
באמצעות חיישן זה, אפשרי לזהות ולכמת cTnI בנסיוב אדם על מגבלה של זיהוי (לוד) של 0.55 ng/mL, וזו הרלוונטית קלינית. הזיהוי זה יותר מהר מאשר הכי נפוץ טכנולוגיה בתחום זה, מקושרים-אנזים immunosorbent assay (אליסה). יתר על כן, השטח חישה יכול בקלות להיות מחדש, לכן לעשות בה שימוש חוזר. לפיכך, עבודה זו מדגים את ההבטחה של מערכים nanohole כטכנולוגיה מעשית בשלב של טיפול (POC) עבור biosensing בתוך biofluids מורכבים.
Protocol
Representative Results
Discussion
הדמיית האינטראקציה בין האירוע האור nanostructures את עושה את זה ניתן לזהות הפסגה המתאים (בספקטרום שידור), shift אשר ניתן להקליט כפונקציה של ריכוז analyte. חשוב לציין כי הלוקליזציה של הלהקות לגבי המבנה של החיישן הוא חיוני כדי הבחירה של הלהקה נכון, ניתן לעקוב במשמרת שלו לחוש את analyte. הפריט החזותי יכולה להי…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
AP מאשר התמיכה של פרופ T Venkatesan, הבמאי, הננו נוס, יוזמה ננוטכנולוגיה ו- Office של סגן נשיא (באוניברסיטה הלאומית של סינגפור) (R-398-000-084-646). למצ ח מאשר את התמיכה של סינגפור משרד של בריאות רפואי מחקר המועצה הארצית תחת שלה המטפל מדען מימון ערכה, NMRC/CSA/035/2012 ולאחר באוניברסיטה הלאומית של סינגפור. התורמים שחיים היה אין תפקיד תכנון המחקר, איסוף נתונים, ניתוח, ההחלטה לפרסם או אופן ההכנה של כתב היד.
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 |
References
- 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).
