كشف البصري<em> E. القولونية</em> البكتيريا عن طريق أجهزة الاستشعار السيليكون Mesoporous
Summary
هو عرض وجهاز الاستشعار البيولوجي البصرية خالية من التسمية للكشف عن البكتيريا السريع. يستند جهاز الاستشعار البيولوجي على سي مسامية ذات البنية النانومترية، الذي تم تصميمه لالتقاط مباشرة الخلايا البكتيريا المستهدفة على سطحه. نستخدم الأجسام المضادة وحيدة النسيلة، يجمد على محول التي يسهل اختراقها، وتحقيقات الالتقاط. وتبين الدراسات لدينا انطباق هذه أجهزة الاستشعار للكشف عن تركيزات منخفضة البكتيرية في غضون دقائق مع عدم وجود تجهيز العينات قبل (مثل تحلل الخلية).
Abstract
تم تصميم جهاز الاستشعار البيولوجي البصرية خالية من التسمية على أساس المسامية ذات البنية النانومترية سي لالتقاط السريع والكشف عن البكتيريا القولونية K12، والكائنات الحية الدقيقة الطراز. يعتمد جهاز الاستشعار البيولوجي على الربط المباشر للخلايا البكتيريا المستهدفة على سطحه، في حين لم يكن يحتاج إلى المعالجة (مثلا عن طريق تحلل الخلية) من العينة التي شملتها الدراسة. ويستخدم سي رقيقة mesoporous كعنصر محول البصري للجهاز الاستشعار البيولوجي. تحت الضوء إضاءة بيضاء، يعرض طبقة مسامية حلها جيدا أنماط هامش فابري بيرو في الطيف انعكاسية لها. تطبيق تحويل فورييه السريع (الاتحاد الفرنسي للتنس) إلى نتائج البيانات الانعكاسية في ذروة واحدة. ويتم رصد التغيرات في كثافة الذروة الاتحاد الفرنسي للتنس. وبالتالي، والتقاط البكتيريا المستهدفة على سطح جهاز الاستشعار البيولوجي، من خلال التفاعلات مستضد الضد، يؤدي الى تغييرات قابلة للقياس في شدة قمم الاتحاد الفرنسي للتنس، والسماح ل"الوقت الحقيقي" مراقبة المرفق البكتيريا.
الإقليم الشمالي "> الفيلم سي mesoporous، ملفقة من قبل عملية طلى بأكسيد الألومنيوم الكهروكيميائية، ومترافق مع الأجسام المضادة وحيدة النسيلة ومحددة للبكتيريا المستهدفة. وأكد الشلل، immunoactivity وخصوصية الأجسام المضادة من خلال التجارب وضع العلامات الفلورية. مرة واحدة يتعرض لها جهاز الاستشعار البيولوجي لل البكتيريا المستهدفة، ويتم التقاط الخلايا مباشرة على مسامية السطح سي تعديل الأجسام المضادة، وهذه الأحداث التقاط محددة تؤدي إلى تغيرات كثافة في الأغشية الرقيقة التدخل البصرية الطيف من جهاز الاستشعار البيولوجي. علينا أن نظهر أن هذه أجهزة الاستشعار يمكن الكشف عن البكتيريا تركيزات منخفضة نسبيا (كشف الحد من 10 4 خلية / مل) في أقل من ساعة.Introduction
الكشف المبكر والدقيق للالبكتيريا المسببة للأمراض من المهم للغاية لسلامة الأغذية والمياه، والرصد البيئي، ونقطة من الرعاية التشخيص 1. عن تقنيات علم الأحياء المجهرية التقليدية هي مضيعة للوقت، شاقة، وتفتقر إلى القدرة على الكشف عن الكائنات الحية الدقيقة في "الوقت الحقيقي" أو خارج بيئة معملية، أجهزة الاستشعار تتطور لمواجهة هذه التحديات 2-5.
في السنوات الأخيرة، التي يسهل اختراقها سي (PSI) برز كمنصة اعدة لتصميم أجهزة الاستشعار وأجهزة الاستشعار 6-20. على مدى العقد الماضي ونشرت العديد من الدراسات حول أجهزة الاستشعار وأجهزة الاستشعار البصرية القائمة على المبادرة 21،22. ملفقة طبقة ذات البنية النانومترية PSI عادة عن طريق الكهروكيميائية النقش انوديك من واحدة من الكريستال رقاقة سيليكون. المواد النانوية الناتجة PSI يحمل العديد من الخصائص من المفيد، مثل سطح كبير وحجم الحرة، المسام الأحجام التي يمكن السيطرة عليها والانضباطي الأمثلخصائص كال 10،16. الخصائص البصرية للطبقة PSI، مثل معان ضوئي 8،11 والضوء الأبيض القائم على الانعكاس التداخل 7،19، تتأثر بشدة الظروف البيئية. القبض على ضيف التحاليل الجزيئات / الهدف ضمن نتائج طبقة مسامية في تغيير في متوسط معامل الانكسار من الفيلم، يحتفل به بوصفه التشكيل في الطيف معان ضوئي أو تحولا في الطيف الموجي انعكاسية 10.
على الرغم من أن الابتكار واسعة في PSI التكنولوجيا biosensor البصرية، لا يوجد سوى عدد قليل من التقارير على منصات القائم على المبادرة للبكتيريا الكشف 6،8،20،23-29. بالإضافة إلى ذلك، فإن معظم هذه الدراسات إثبات صحة مفهوم أثبتت "غير المباشرة" الكشف عن البكتيريا. وبالتالي، هناك حاجة تحلل قبل عام من الخلايا لاستخراج شظايا بروتين / الحمض النووي المستهدف، سمة للبكتيريا درس 29. نهجنا هو الاستيلاء على البكتيريا المستهدفة مباشرةالخلايا على جهاز الاستشعار البيولوجي PSI. لذلك، يتم يجمد الاجسام المضادة، والتي هي محددة لاستهداف البكتيريا، على سطح مسامية. ملزمة للخلايا البكتيريا، عبر تفاعلات الضد مستضد، على سطح جهاز الاستشعار البيولوجي تحدث تغييرات في السعة (كثافة) من الطيف الانعكاسية 24-26.
في هذا العمل، ونحن التقرير على بناء وجهاز الاستشعار البيولوجي القائم على المبادرة البصرية وإظهار تطبيقه كمنصة biosensing خالية من التسمية للكشف عن الإشريكية القولونية (E. كولاي) K12 البكتيريا (تستخدم الكائنات الحية الدقيقة نموذج)، ورصد الإشارات الضوئية هو الضوء الذي ينعكس من البنية النانوية PSI بسبب فابري بيرو التدخل رقيقة (الشكل 1A). ترتبط التغييرات في ضوء السعة / كثافة لتجميد محددة من خلايا البكتيريا المستهدفة على سطح جهاز الاستشعار البيولوجي، مما يسمح للكشف السريع وتقدير من البكتيريا.
Protocol
Representative Results
Discussion
هي ملفقة وimmunosensor البصرية تسمية خالية، استنادا إلى البنية النانوية PSiO 2 (فيلم فابري بيرو رقيقة)، وتأكيد انطباق إمكاناتها بوصفها جهاز الاستشعار البيولوجي للكشف عن البكتيريا.
التعديلات واستكشاف الأخطاء وإصلاحها
<p class="jove_content…Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل من قبل مؤسسة العلوم اسرائيل (منحة رقم 1118-1108 ومنحة رقم 1146/12) وصندوق البحوث التذكارية كرول مينا. ES بامتنان بدعم مالي من معهد روسيل Berrie تقنية النانو.
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 |
Riferimenti
- Velusamy, V., et al. An overview of foodborne pathogen detection: In the perspective of biosensors. Biotechnol. Adv. 28 (2), 232-23 (2010).
- Doyle, M. P., Beuchat, L. R., Montville, T. J. . Food Microbiol.: Fundamentals and Front. 2, (2001).
- Radke, S. M., Alocilja, E. C. A microfabricated biosensor for detecting foodborne bioterrorism agents. IEEE Sens. J. 5 (4), 744 (2005).
- Glynn, B., et al. Current and emerging molecular diagnostic technologies applicable to bacterial food safety. Int. J. of Dairy Technol. 59 (2), 126 (2006).
- Leonard, P., et al. Advances in biosensors for detection of pathogens in food and water. Enzyme Microb. Technol. 32 (1), 3 (2003).
- Alvarez, S. D., et al. Using a porous silicon photonic crystal for bacterial cell-based biosensing. Physica Status Solidi a-Applications and Materials Science. 204 (5), 1439 (2007).
- Archer, M., et al. Electrical porous silicon microarray for DNA hybridization detection. Micro- and Nanosystems. 782, 385 (2004).
- Chan, S., Horner, S. R., Fauchet, P. M., Miller, B. L. Identification of Gram Negative Bacteria Using Nanoscale Silicon Microcavities. J. Am. Chem. Soc. 123, 11797 (2001).
- Dancil, K. -. P. S., Greiner, D. P., Sailor, M. J., Canham, L. T., Sailor, M. J., Tanaka, K., Tsai, C. C. . Development of a Porous Silicon Based Biosensor. 536, 557-562 (1999).
- D’Auria, S., et al. Nanostructured silicon-based biosensors for the selective identification of analytes of social interest. J Phys – Condens Matter. 18 (33), S2019 (2006).
- de Leon, S. B., et al. Neurons culturing and biophotonic sensing using porous silicon. Appl Phys Lett. 84 (22), 4361 (2004).
- Janshoff, A., et al. Macroporous p-type silicon Fabry-Perot layers. Fabrication, characterization, and applications in biosensing. J. Am. Chem. Soc. 120 (46), 12108 (1998).
- Orosco, M. M., Pacholski, C., Miskelly, G. M., Sailor, M. J. Protein-coated porous silicon photonic crystals for amplified optical detection of protease activity. Adv. Mater. 18, 1393 (2006).
- Pacholski, C., et al. Biosensing using porous silicon double-layer interferometers: reflective interferometric Fourier transform spectroscopy. J. Am. Chem. Soc. 127 (33), 11636 (2005).
- Pacholski, C., et al. Reflective Interferometric Fourier Transform Spectroscopy: A Self-Compensating Label-Free Immunosensor Using Double-layers of Porous SiO2. J. Am. Chem. Soc. 128, 4250 (2006).
- Sailor, M. J., Link, J. R. Smart Dust: nanostructured devices in a grain of sand. Chem. Comm. , 1375 (2005).
- Schwartz, M. P., Alvarez, S. D., Sailor, M. J. Porous SiO2 interferometric biosensor for quantitative determination of protein interactions: Binding of protein a to immunoglobulins derived from different species. Anal. Chem. 79 (1), 327 (2007).
- Schwartz, M. i. c. h. a. e. l. P., et al. The smart petri dish: A nanostructured photonic crystal for real-time monitoring of living cells. Langmuir. 22, 7084 (2006).
- Stewart, M. P., Buriak, J. M. Chemical and biological applications of porous silicon technology. Adv. Mater. 12 (12), 859 (2000).
- Zhang, D., Alocilja, E. C. Characterization of nanoporous silicon-based DNA biosensor for the detection of Salmonella enteritidis. IEEE Sens J. 8 (5-6), 775 (2008).
- Bonanno, L. M., Segal, E. Nanostructured porous silicon-polymer-based hybrids: from biosensing to drug delivery. Nanomedicine. 6 (10), 1755 (2011).
- Jane, A., Dronov, R., Hodges, A., Voelcker, N. H. Porous silicon biosensors on the advance. Trends Biotechnol. 27 (4), 230 (2009).
- Li, S., Huang, J., Cai, L. A porous silicon optical microcavity for sensitive bacteria detection. Nanotechnology. 22 (42), 425502 (2011).
- Massad-Ivanir, N., Shtenberg, G., Segal, E., Zahavy, E., Ordentlich, A., Yitzhaki, S., Shafferman, A. . Nano Bio-Technology for Biomedical and Diagnostics Research. 733, (2012).
- Massad-Ivanir, N., et al. Engineering Nanostructured Porous SiO2 Surfaces for Bacteria Detection via “Direct Cell Capture”. Anal. Chem. 83 (9), 3282-32 (2011).
- Massad-Ivanir, N., Shtenberg, G., Zeidman, T., Segal, E. Construction and characterization of porous SiO2/hydrogel hybrids as optical biosensors for rapid detection of bacteria. Adv Funct Mater. 20 (14), 2269-22 (2010).
- Mathew, F. P., Alocilja, E. C. Porous silicon-based biosensor for pathogen detection. Biosens. Bioelectron. 20 (8), 1656 (2005).
- Ouyang, H., Archer, M., Fauchet, P. M. . Frontiers in Surface Nanophotonics. 133, 49 (2007).
- Ouyang, H., DeLouise, L. A., Miller, B. L., Fauchet, P. M. Label-free quantitative detection of protein using macroporous silicon photonic bandgap biosensors. Anal. Chem. 79 (4), 1502-15 (2007).
- Hermanson, G. T. . Bioconjugate Techniques. , (1996).
- Piervincenzi, R. T., Reichert, W. M., Hellinga, H. W. Genetic engineering of a single-chain antibody fragment for surface immobilization in an optical biosensor. Biosensors and Bioelectronics. 13 (3-4), 305 (1998).
- Saerens, D., Huang, L., Bonroy, K., Muyldermans, S. Antibody Fragments as Probe in Biosensor Development. Sensors. 8 (8), 4669 (2008).
- Shtenberg, G., et al. Picking up the Pieces: A Generic Porous Si Biosensor for Probing the Proteolytic Products of Enzymes. Anal. Chem. 85 (3), 1951 (2013).
- Bonanno, L. M., DeLouise, L. A. Steric Crowding Effects on Target Detection in an Affinity Biosensor. Langmuir. 23 (10), 5817 (2007).
- Banada, P. P., Bhunia, A. K., Mohammed, E., Zourob, S., Turner, A. P. F. . Principles of Bacterial Detection: Biosensors, Recognition Receptors and Microsystems. , 567 (2008).
- Poma, A., Whitcombe, M., Piletsky, S., Whitcombe, M. J., Piletsky, S. A. . Designing receptores for the next generation of biosensors. , 105 (2013).
- Dudak, F. C., Boyaci, I. H. Development of an immunosensor based on surface plasmon resonance for enumeration of Escherichia coli in water samples. Food Res. Int. 40 (7), 803 (2007).
- Dudak, F. C., Boyaci, I. H. Rapid and label-free bacteria detection by surface plasmon resonance (SPR) biosensors. Biotechn J. 4 (7), 1003 (2009).
- Skottrup, P. D., Nicolaisen, M., Justesen, A. F. Towards on-site pathogen detection using antibody-based sensors. Biosens. Bioelectron. 24 (3), 339 (2008).
- Taylor, A. D., Ladd, J., Homola, J., Jiang, S. . Principles of Bacterial Detection: Biosensors, Recognition Receptors and Microsystems. , 83 (2008).
