Uso de transmisión óptica extraordinaria para cuantificar marcadores cardíacos en suero humano
Summary
Este trabajo describe un método de litografía de nanoimprinting para fabricar matrices de detección alta calidad que trabajan en el principio de transmisión óptica extraordinaria. El biosensor es bajo costo, robusto, fácil de usar y puede detectar troponina I en suero en concentraciones clínicamente relevantes (99th percentil corte ∼10-400 pg/mL, según el ensayo).
Abstract
Para que una plataforma de biosensores para tener importancia clínica en ajustes de point-of-care (POC), análisis de sensibilidad, reproducibilidad y capacidad de vigilar confiablemente los analitos con el trasfondo de suero humano son cruciales.
Nanoimprinting litografía (NIL) se utilizó para fabricar, a bajo costo, detección de áreas tan grandes como 1,5 x 1,5 mm. La superficie de detección fue hecha de arreglos de discos de alta fidelidad de nanoholes, cada uno con un área de alrededor de 140 nm2. La gran reproducibilidad de NIL posible emplear una estrategia de un chip, una medida de 12 superficies fabricadas individualmente, con mínima variación chip a chip. Estos chips de resonancia (LSPR) nanoimprinted localizada plasmón superficial fueron probados extensivamente en su capacidad para medir fiablemente un bioanalyte en concentraciones que varían desde 2.5 a 75 ng/mL en el fondo de un complejo biofluid-en este caso suero humano. La alta fidelidad de NIL permite la generación de grandes zonas de detección, que a su vez elimina la necesidad de un microscopio, este biosensor puede ser interconectado fácilmente con una fuente de luz de laboratorio comúnmente disponibles. Estos biosensores pueden detectar troponina en suero con una sensibilidad alta, en un límite de detección (LOD) de 0.55 ng/mL, que es clínicamente relevante. También muestran baja variación chip a chip (debido a la alta calidad del proceso de fabricación). Los resultados son conmensurables con análisis ampliamente utilizado enzima-ligado del inmunosorbente (ELISA)-basado en ensayos, pero la técnica conserva las ventajas de una plataforma de detección LSPR-basado (es decir, receptividad a la miniaturización y la multiplexación, lo que más factible para las aplicaciones POC).
Introduction
Sensores químicos basados en arreglos de discos de nanohole han sido objeto de numerosas investigaciones desde que se publicó el primer informe sobre transmisión óptica extraordinaria (EOT) por Ebbesen et en 19981. Cuando la luz incide sobre arreglos periódicos de nanohole estructuras de dimensiones sub-longitud de onda, mayor la transmisión ocurre a longitudes de onda específicas. Esto ocurre cuando la luz del incidente parejas con onda de Bloch superficie polaritones (BW-SPP) o localizada plasmones de superficie (LSP)2.
El principio físico subyacente aprovechado cuando biodetección con tales matrices periódicas es simple. Adsorción de moléculas sobre o cercana a la interfase del metal cambia la constante dieléctrica del medio en contacto con el metal, a su vez cambiando la ubicación de las bandas de transmisión en el espectro. El espectro se puede ajustar por nano-ingeniería de la forma, tamaño y separación distancia3,4,5. Por diseño, sensores basados en EOT tienen bandas características en sus espectros que facilitan tareas específicas6,7,8 durante la investigación de eventos de enlace molecular. Esto es una ventaja crucial sobre plataformas de resonancia (SPR) de plasmón superficial disponible en el mercado.
Sensores con EOT típicamente involucran una fuente de luz alineada ópticamente tal que un haz colimado es incidente sobre la superficie de detección. Técnicas para generar nanohole grandes superficies, como plantillas de copolímero e interferencia y litografía nanosphere, tienen pobre reproducibilidad9. Debido a estas limitaciones en la fabricación precisa de grandes superficies que muestran el fenómeno EOT, un microscopio óptico fue requerido para posicionar correctamente el detector y la fuente de luz. Para simplificar la técnica, la litografía de alta calidad nanoimprinting fue empleado (NIL)10 . Esto permitió la producción de sensores grandes superficies11 (escala de mm), eliminando la necesidad de un microscopio buscar la superficie de detección en un chip. En cambio, este sensor se podría interconectar fácilmente con un cable óptico de fibra estándar.
Desde los picos de transmisión para esta matriz nanohole están contenidos en el espectro visible a la región del infrarrojo cercano (NIR), se adapta perfectamente a la detección de eventos de enlace de biomoléculas en un ambiente acuoso. Se simuló el comportamiento óptico de la matriz nanohole. El resultado entonces se verificó a través de estudios con líquidos estándar índices de refracción (RI). Esta matriz entonces fue utilizada para medir la concentración de troponina cardíaca I (cTnI) en el complejo fondo de suero humano. cTnI es el criterio clínico para el diagnóstico de infarto agudo de miocardio.
Con este sensor, es posible detectar y cuantificar la cTnI en suero humano en un límite de detección (LOD) de 0.55 ng/mL, que es clínicamente relevante. La detección es mucho más rápida que la más utilizada la tecnología en este dominio, análisis enzima-ligado del inmunosorbente (ELISA). Además, la superficie de detección puede fácilmente ser regenerada y por lo tanto reutilizados. Por lo tanto, este trabajo demuestra la promesa de nanohole matrices como viable tecnología point-of-care (POC) para biodetección en biofluidos complejo.
Protocol
Representative Results
Discussion
Simulación de la interacción entre la luz del incidente y las nanoestructuras permite identificar el pico correspondiente (en el espectro de transmisión), cuyo cambio puede grabarse como una función de la concentración del analito. Es importante tener en cuenta que la localización de las bandas con respecto a la estructura del sensor es fundamental para la elección de la banda derecha, cuyo cambio puede realizar un seguimiento para detectar el analito. La visualización se logra a través de simulaciones. Esto tam…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
AP agradece el apoyo de Prof T Venkatesan, Director, NUS Nanociencia y nanotecnología iniciativa y oficina del Presidente del diputado (Universidad Nacional de Singapur) (R-398-000-084-646). CLD reconoce el apoyo de la Singapur Ministerio de salud nacional Consejo de investigación médica bajo su médico científico esquema de financiación, NMRC/CSA/035/2012 y la Universidad Nacional de Singapur. Los fundadores no tenían ningún papel en el diseño del estudio, recopilación de datos y análisis, publicación o preparación del manuscrito.
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
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