Label-free Single Molecule Detectie Met behulp microtoroıde optische resonatoren

Summary

We have developed a label-free biosensing system based on optical resonator technology known as Frequency Locking Optical Whispering Evanescent Resonator (FLOWER) that is capable of detecting single molecules in solution. Here the procedures behind this work are described and presented.

Abstract

Detecteren kleine concentraties van moleculen tot aan de individuele moleculen limiet heeft invloed op gebieden zoals vroege detectie van ziekten en fundamentele studies over het gedrag van moleculen. Single molecule detectietechnieken gewoonlijk gebruik labels zoals fluorescerende labels of quantum dots echter etiketten niet altijd beschikbaar, vergroten de kosten en complexiteit, en kan verstoren gebeurtenissen onderzocht. Optische resonatoren ontstaan ​​als een veelbelovende manier om enkele moleculen te detecteren zonder het gebruik van labels. Momenteel de kleinste deeltje gedetecteerd door een niet-plasmonically versterkte bare optische resonator systeem oplossing een 25 nm polystyreen bol ^1. We hebben een techniek die bekend staat als Frequency vergrendelen Optical Whispering Evanescent Resonator (bloem) dat deze limiet kunnen overtreffen en het bereiken van label-free single molecule detectie in waterige oplossing ² ontwikkeld. Zoals signaalsterkte schalen met deeltje volume, ons werk is een> 100x improvement in de signaal-ruisverhouding (SNR) over de huidige stand van de techniek. Hier de procedures achteren bloem zijn voorgesteld in een poging om zijn gebruik in het veld te vergroten.

Introduction

Single molecule detectie experimenten ingezet om de hoeveelheid analyt die in biosensoren voor vroege detectie van ziekten en het onderzoek van de fundamentele eigenschappen van moleculen ^3. Dergelijke experimenten worden typisch uitgevoerd met behulp labels echter etiketten niet altijd mogelijk verkrijgen voor een bepaald eiwit, verhogen de kosten, kan verstoren de gebeurtenissen bestudeerd en kan onhandig zijn, met name voor real time-eigen experimenten of point-of- care diagnostiek.

De huidige gouden standaard voor ongelabelde biosensoren is oppervlakteplasmonresonantie ^4, maar de commerciële oppervlakte plasmon resonance systemen hebben typisch een typisch onderste detectielimiet in de orde van nM. Onlangs hebben optische resonatoren ontpopt als een veelbelovende technologie voor het label-free single molecule BioDetection ^5. Optische resonatoren werk gebaseerd op de lange termijn (ns) opsluiting van licht ^6,7. Licht is evanescentlygekoppeld in deze apparaten meestal via een optische vezel. Wanneer de golflengte van het licht dat door de vezel komt overeen met de resonantiegolflengte van de resonator, licht efficiënt paren aan de resonator. Deze gekoppelde licht totaal intern reflecteert binnen de holte resonator genereren van een verdwijnende veld in de nabijheid van de omtrek van de resonator. Aangezien deeltjes komen het verdwijnende veld en binden aan de resonator, de resonantiegolflengte van de resonator verandert evenredig met het volume van het deeltje ^8.

Op het gebied van detectie vermogen, hebben microsferen resonatoren eerder is gebruikt om enkele influenza A-virus detecteren deeltjes (100 nm) ^9,10. Recent zijn plasmonically versterkte microbolletjes optische resonatoren gebruikt om één runderserum albumine te detecteren moleculen ¹¹ en 8-mer oligonucleotiden ^12, maar deze benadering beperkt het deeltje capture gebied 0,3 um per ² deondeugd. Groter gebied vast te leggen biosensoren zijn ideaal voor het maximaliseren van de kans op een deeltje detectie. Huidige-oplossing op basis-label vrij biosensing technologieën met grote (> 100 micrometer ²⁾ capture gebieden zijn beperkt tot het opsporen van polystyreen deeltjes ≥ 25 nm.

We hebben een ongelabelde biosensoren gebaseerd op optische resonator techniek bekend als frequentievergrendeling Optical Whispering Evanescent Resonator (bloem) ¹³ (figuur 1) die in staat is tijdsopgeloste detectie van individuele moleculen in oplossing ontwikkeld. FLOWER maakt gebruik van de lange levensduur van foton microtoroıde optische resonatoren gecombineerd met een frequentie vergrendeling feedback control, evenwichtig detectie, en computationele filtering om kleine deeltjes te detecteren enkel eiwit moleculen. Het gebruik van frequentievergrendeling kan het systeem altijd volgen van de verschuiving van de resonantie microtoroıde als deeltjes binden, zonder te vegen of scan de laser golflengte bovengrote reeksen. De principes van de bloem kunnen worden gebruikt om de detectiemogelijkheden van andere technieken zoals plasmon enhancement verbeteren. Hierna worden de procedures voor het uitvoeren BLOEM beschreven.

Protocol

1. Experimentele Setup en Monstervoorbereiding Fabriceren microtoroids met de lithografie, etsen en smelten procedure zoals eerder beschreven 6. Fabriceer microtoroids op een siliciumwafel (chip) dat typisch een grote diameter van 80-100 urn en een kleinste diameter van 2 urn. Ontspan ongeveer een meter van de single-mode glasvezel (125 micrometer bekleding, 4,3 micrometer modus veld diameter) van de vezels spoel. In het midden van het afgewikkelde deel van de optische vezel, st…

Representative Results

Deeltje binding gebeurtenissen zijn duidelijk gezien als een stap-achtige veranderingen in de resonantie golflengte van het microtoroıde na verloop van tijd (Figuur 2A). De hoogte van deze stappen worden getoond als een histogram in figuur 2B. De figuren 2-4 tonen vertegenwoordiger sporen uit de binding van exosomes (nanovesicles), 5 nm silica kralen, en single humaan interleukine-2-moleculen, respectievelijk. Het feit dat de stapvormige events schaal met een deeltjesg…

Discussion

Als deeltjes bindt, de resonantie golflengte (λ) van de torus toeneemt. Wanneer een deeltje unbinds de resonantiegolflengte dienovereenkomstig afneemt (een naar beneden event). De deeltjesdiameter (d) kan worden bepaald door middel van histogrammen van de amplitude van elke golflengte stap. De hoogte van elke golflengtestap varieert als gevolg van variaties omvang van de gebonden deeltjes en door de ligging van de microtoroıde waarbij het deeltje bindt. De maximale verandering in resonantiegolflengte…

Materials

Tunable diode laser	Newport	TLB-6300
Laser controller	Newport	TLB-6300-LN
Frequency locking feedback controller	Toptica Photonics	Digilock 110
Auto-balanced photoreceiver	Newport	Model 2007
In-line polarization controller	General Photonics	PLC-003-S-90
24-bit data acquisition card	National Instruments	NI-PCI-4461
Recombinant human interleukin-2	Pierce Biotechnology	R201520
20 nm polystyrene beads	Thermo Scientific	3020A
NanoCube XYZ Piezo Stage	Physik Instrumente	P-611.3
Optical table	Newport	VH3660W-OPT
Objective lens for imaging column	Navitar Machine Vision	1-60228
Imaging column (adaptor tube)	Navitar Machine Vision	1-60228
High-Res CCD camera for imaging column	Edmund Industrial Optics	NT39244