تسمية خالية واحدة كشف الجزيئة عن طريق Microtoroid البصرية الرنين
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
الكشف عن تركيزات صغيرة من الجزيئات وصولا الى حد جزيء واحد له تأثير على مجالات مثل الكشف المبكر عن المرض، والدراسات الأساسية على سلوك الجزيئات. تقنيات الكشف عن جزيء واحد تستخدم عادة تسميات مثل العلامات الفلورية أو النقاط الكمومية، ومع ذلك، والعلامات غير متوفرة دائما، وزيادة التكلفة والتعقيد، ويمكن التشويش على الأحداث التي تجري دراستها. ظهرت المرنانات البصرية كوسيلة واعدة للكشف عن جزيئات واحدة دون استخدام التسميات. حاليا أصغر الجسيمات الكشف عنها بواسطة المحسن plasmonically وعدم العارية نظام مرنان البصرية في حل هو 25 نانومتر البوليسترين المجال 1. قمنا بتطوير تقنية تعرف باسم التردد قفل البصرية يهمس زائل الرنان (زهرة) التي يمكن تجاوز هذا الحد وتحقيق الكشف عن جزيء واحد خالية من التسمية في محلول مائي 2. كما موازين قوة الإشارة مع حجم الجسيمات، يمثل عملنا ل> 100X تحسينهالإقليم الشمالي في إشارة إلى نسبة الضوضاء (SNR) على الدولة الراهنة للفن. هنا يتم عرض الإجراءات وراء FLOWER في محاولة لزيادة استخدامه في هذا المجال.
Introduction
واحدة من التجارب الكشف عن جزيء مفيدة لتقليل كمية الحليلة المستخدمة في أجهزة الاستشعار، للكشف المبكر عن المرض، ودراسة الخصائص الأساسية للجزيئات 3. وعادة ما يتم إجراء مثل هذه التجارب باستخدام تسميات، ولكن التسميات ليست دائما ممكنة للحصول على بروتين معين، وزيادة التكاليف، ويمكن التشويش على الأحداث التي تجري دراستها، ويمكن أن تكون مزعجة، خاصة في الوقت الحقيقي في الموقع تجارب أو نقطة من- التشخيص الرعاية.
المعيار الذهبي الحالي لتسمية خالية biosensing هو سطح مأكل بالرنين 4، ولكن النظم التجارية مأكل سطح الرنين وعادة ما يكون الحد الأدنى نموذجي للكشف على ترتيب نانومتر. في الآونة الأخيرة، ظهرت المرنانات البصرية وتكنولوجيا واعدة لتسمية خالية جزيء واحد biodetection 5. العمل مرنانات بصري على أساس طويل الأجل (م) الحبس الضوء 6،7. الضوء هو evanescentlyبالإضافة إلى هذه الأجهزة عادة عن طريق الألياف البصرية. عندما الطول الموجي للضوء يمر الألياف يطابق الطول الموجي صدى مرنان، وعلى ضوء كفاءة الأزواج إلى مرنان. على ضوء هذا بالإضافة يعكس داخليا تماما داخل تجويف مرنان لتوليد حقل زائل في المنطقة المجاورة للمحيط مرنان. كما جزيئات تدخل مجال زائل وربط للمرنان، والطول الموجي صدى التغييرات مرنان بما يتناسب مع حجم الجسيمات 8.
من حيث القدرة على الكشف، وقد استخدمت في وقت سابق المرنانات microsphere للكشف عن أنفلونزا A احد جزيئات الفيروس (100 نانومتر) 9،10. في الآونة الأخيرة، وقد استخدمت المرنانات البصرية المحسنة plasmonically-microsphere للكشف عن المصل البقري واحد الألبومين جزيئات 11 و [أليغنوكليوتيد 8 مير 12، ولكن هذا النهج يحد من مجال التقاط الجسيمات إلى 0.3 ميكرون 2 في دينائب. أكبر أجهزة الاستشعار التقاط منطقة مثالية لتحقيق أقصى قدر من فرصة للكشف عن الجسيمات. تم التكنولوجيات القائمة على حل الحالية خالية من التسمية biosensing مع (> 100 ميكرون 2) المناطق القبض كبيرة تقتصر على الكشف عن جزيئات البوليستيرين ≥ 25 نانومتر.
قمنا بتطوير نظام biosensing خالية من التسمية على أساس تكنولوجيا مرنان البصرية المعروفة باسم التردد قفل البصرية يهمس زائل الرنان (زهرة) 13 (الشكل 1) التي هي قادرة على الكشف عن وقت حل للجزيئات واحدة في الحل. يستخدم FLOWER عمر الفوتون طويل من المرنانات البصرية microtoroid جنبا إلى جنب مع تردد تأمين مراقبة ردود الفعل، والكشف عن متوازن، والتصفية الحسابية للكشف عن جزيئات صغيرة وصولا الى جزيئات البروتين واحدة. استخدام قفل تردد يسمح للنظام لتتبع دائما صدى التحول من microtoroid كما ربط جزيئات، من دون الحاجة إلى كنس أو مسح الليزر الطول الموجي أكثرنطاقات واسعة. مبادئ FLOWER يمكن أن تستخدم لتعزيز قدرات الكشف عن تقنيات أخرى بما في ذلك تعزيز plasmonic. في ما يلي، ووصف الإجراءات لأداء FLOWER.
Protocol
Representative Results
Discussion
كما يربط جسيم، والطول الموجي صدى (λ) للزيادات حلقي. إذا unbinds جسيم، والطول الموجي صدى النقصان تبعا ل(أ الحدث خطوة لأسفل). يمكن تحديد قطرها الجسيمات (د) عن طريق رسوم بيانية للسعة كل خطوة الطول الموجي. يختلف ارتفاع كل خطوة الطول الموجي نظرا لاختلاف حجم الجسيمات مل…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This research was supported in part by a National Research Service Award (T32GM07616) from the National Institute of General Medical Sciences.
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 |
Riferimenti
- Lu, T., et al. High sensitivity nanoparticle detection using optical microcavities. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 108, 5976-5979 (2011).
- Su, J., Goldberg, A. F. G., Stoltz, B. Label-free detection of single nanoparticles and biological molecules using microtoroid optical resonators. Light: Science and Applications. , (2016).
- Knight, A. . Single molecule biology. , (2009).
- Jonsson, U., et al. Real-time biospecific interaction analysis using surface plasmon resonance and a sensor chip technology. BioTechniques. 11, 620-627 (1991).
- Vollmer, F., Arnold, S. Whispering-gallery-mode biosensing: label-free detection down to single molecules. Nat. Methods. 5, 591-596 (2008).
- Armani, D. K., Kippenberg, T. J., Spillane, S. M., Vahala, K. J. Ultra-high-Q toroid microcavity on a chip. Nature. 421, 925-928 (2003).
- Vahala, K. J. Optical microcavities. Nature. 424, 839-846 (2003).
- Arnold, S., Khoshsima, M., Teraoka, I., Holler, S., Vollmer, F. Shift of whispering-gallery modes in microspheres by protein adsorption. Opt. Lett. 28, 272-274 (2003).
- Vollmer, F., Arnold, S., Keng, D. Single virus detection from the reactive shift of a whispering-gallery mode. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 105, 20701-20704 (2008).
- He, L., Ozdemir, S. K., Zhu, J., Kim, W., Yang, L. Detecting single viruses and nanoparticles using whispering gallery microlasers. Nat Nano. 6, 428-432 (2011).
- Dantham, V. R., et al. Label-free detection of single protein using a nanoplasmonic-photonic hybrid microcavity. Nano Lett. 13, 3347-3351 (2013).
- Baaske, M. D., Foreman, M. R., Vollmer, F. Single-molecule nucleic acid interactions monitored on a label-free microcavity biosensor platform. Nat Nanotechnol. 9, 933-939 (2014).
- Su, J. Label-Free Single Exosome Detection Using Frequency-Locked Microtoroid Optical Resonators. ACS Photonics. (9), 1241-1245 (2015).
- Åström, K. J., Murray, R. M. . Feedback systems : an introduction for scientists and engineers. , (2008).
- Kerssemakers, J. W., et al. Assembly dynamics of microtubules at molecular resolution. Nature. 442, 709-712 (2006).
- Su, T. -. T. J. . Label-free detection of single biological molecules using microtoroid optical resonators. , (2014).
