Rilevamento ottico di<em> E. coli</em> Batteri di mesoporosi Silicon Biosensors
Summary
Viene introdotto un biosensore ottico privo di etichetta per il rilevamento di batteri rapidi. Il biosensore è basato su poroso nanostrutturato Si, che è stato progettato per catturare direttamente le cellule dei batteri bersaglio sulla sua superficie. Usiamo anticorpi monoclonali, immobilizzati sul trasduttore poroso, come le sonde di cattura. I nostri studi dimostrano l'applicabilità di questi biosensori per il rilevamento di concentrazioni batteriche basse in pochi minuti, senza trasformazione campione prima (come lisi cellulare).
Abstract
Un biosensore ottico privo di etichetta basato su un poroso nanostrutturato Si è progettato per acquisizione rapida e rilevamento di batteri Escherichia coli K12, come modello microrganismo. Il biosensore deduce legame diretto delle cellule dei batteri bersaglio sulla sua superficie, mentre non è necessario alcun pretrattamento (ad esempio mediante lisi cellulare) del campione studiato. Un film sottile mesoporosi Si è utilizzato come elemento trasduttore ottico del biosensore. Sotto illuminazione a luce bianca, lo strato poroso mostra ben risolti, i modelli frange Fabry-Perot nel suo spettro di riflessione. L'applicazione di una trasformata veloce di Fourier (FFT) per i risultati dei dati di riflettività in un unico picco. Variazioni dell'intensità del picco FFT sono monitorati. Così, batteri bersaglio catturare sulla superficie biosensore, attraverso interazioni anticorpo-antigene, induce cambiamenti misurabili nell'intensità dei picchi FFT, consentendo un osservazione 'tempo reale' di attaccamento batteri.
nt "> Il film di Si mesoporosi, fabbricato da un processo di anodizzazione elettrochimica, è coniugato con anticorpi monoclonali, specifici per i batteri bersaglio. L'immobilizzazione, immunoactivity e specificità degli anticorpi sono confermati da esperimenti di marcatura fluorescente. Dopo il biosensore è esposto al batteri bersaglio, le cellule sono direttamente catturati sulla superficie porosa Si anticorpi modificati. Questi eventi di cattura specifici producono variazioni di intensità del film sottile spettro interferenza ottico del biosensore. Abbiamo dimostrato che questi biosensori possono rilevare relativamente basse concentrazioni batteriche (rilevamento limite di 10 4 cellule / ml) in meno di un'ora.Introduction
Precoce ed accurata identificazione di batteri patogeni è estremamente importante per la sicurezza degli alimenti e l'acqua, il monitoraggio ambientale e diagnostica 1 point-of-care. Come le tecniche di microbiologia tradizionali sono molto tempo, laborioso, e non hanno la capacità di rilevare i microrganismi in "real-time" o al di fuori dell'ambiente di laboratorio, biosensori stanno evolvendo per rispondere a queste sfide 2-5.
Negli ultimi anni, poroso Si (PSI) è emerso come una piattaforma promettente per la progettazione di sensori e biosensori 6-20. Negli ultimi dieci anni sono stati pubblicati numerosi studi in materia di sensori e biosensori ottici basati psi 21,22. Lo strato nanostrutturati PSi è tipicamente fabbricata elettrochimica anodica incisione da un singolo cristallo di wafer di silicio. I nanomateriali PSi risultanti presentano molte caratteristiche vantaggiose, come la grande superficie e volume libero, poro misure che possono essere controllati e sintonizzabile optiproprietà cal 10,16. Le proprietà ottiche dello strato Psi, quali fotoluminescenza 8,11 e luce bianca a base di riflettanza-interferometria 7,19, sono fortemente influenzati dalle condizioni ambientali. Cattura di giudizi analiti molecole / destinazione entro i risultati strato poroso in una variazione dell'indice di rifrazione medio del film, osservato come una modulazione nello spettro di fotoluminescenza o come uno spostamento della lunghezza d'onda nello spettro di riflettività 10.
Anche se la grande innovazione nella tecnologia PSi biosensore ottico, ci sono solo pochi rapporti sulle piattaforme basate PSI-per i batteri rilevamento 6,8,20,23-29. Inoltre, la maggior parte di questi studi proof-of-concept hanno dimostrato di rilevamento "indiretta" dei batteri. Così, generalmente prima lisi delle cellule è necessario per estrarre i frammenti di proteine / DNA mirati, caratteristici per i batteri studiati 29. Il nostro approccio è quello di acquisire direttamente i batteri bersagliocellule su il biosensore psi. Pertanto, gli anticorpi monoclonali, che sono specifici per i batteri bersaglio, sono immobilizzati sulla superficie porosa. Il legame di cellule di batteri, tramite interazioni anticorpo-antigene, sulla superficie del biosensore indurre variazioni di ampiezza (intensità) dello spettro di riflettività 24-26.
In questo lavoro, si segnala la costruzione di un biosensore basato PSI-ottica e dimostrare la sua applicazione come una piattaforma di biosensori privo di etichetta per la ricerca di Escherichia coli (E. coli), batteri K12 (utilizzati come modello microrganismo). L'monitorato segnale ottico è la luce riflessa dalla nanostruttura PSi causa di Fabry-Perot interferenze film sottile (Figura 1A). Cambiamenti nella luce ampiezza / intensità sono correlati alla specifica immobilizzazione delle cellule dei batteri bersaglio sulla superficie biosensore, consente il rilevamento rapido e quantificazione dei batteri.
Protocol
Representative Results
Discussion
Un immunosensor ottico privo di etichetta, basato su un PSIO 2 nanostruttura (un film sottile Fabry-Perot) è fabbricato, e il suo potenziale applicabilità come un biosensore per la rilevazione batteri è confermato.
Modifiche e risoluzione dei problemi
Uno dei principali problemi durante la progettazione di immunosensor è la suscettibilità di anticorpi a subire cambiamenti di conformazione indesiderati durante la deposizione e patterning sul substrato…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto dalla Science Foundation Israele (concessione n ° 1118-1108 e concessione n ° 1146/12) e il Minna Kroll Memorial Fund Research. ES riconosce con gratitudine il sostegno finanziario del Russell Berrie Nanotechnology Institute.
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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