Simple détection de molécule libre Label-Utilisation Microtoroid optiques résonateurs
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
Détecter de faibles concentrations de molécules jusqu'à la limite de la molécule unique a un impact sur des domaines tels que la détection précoce de la maladie, et des études fondamentales sur le comportement des molécules. Techniques simples de détection de molécule utilisent couramment des labels tels que des marqueurs fluorescents ou quantum dots, cependant, les étiquettes ne sont pas toujours disponibles, augmenter le coût et la complexité, et peuvent perturber les événements étudiés. Résonateurs optiques ont émergé comme un moyen prometteur pour détecter des molécules simples, sans l'utilisation d'étiquettes. Actuellement, la plus petite particule détectée par un système de résonateur non-renforcée plasmonically optique nue en solution est un polystyrène 25 nm une sphère. Nous avons développé une technique connue sous le verrouillage de fréquence optique Whispering évanescent résonateur (fleur) qui peut dépasser cette limite et d'atteindre seule détection de molécule sans étiquette en solution aqueuse à 2. Comme échelles force du signal avec un volume de particules, notre travail représente un> 100x improvement dans le rapport signal sur bruit (SNR) sur l'état actuel de la technique. Voici les procédures à l'origine FLEUR sont présentés dans le but d'accroître son utilisation dans le domaine.
Introduction
Des expériences simples de détection moléculaires sont utiles pour réduire la quantité d'analyte utilisé dans des biocapteurs pour la détection précoce de la maladie, et pour examiner les propriétés fondamentales des molécules 3. Ces expériences sont généralement effectuées en utilisant des étiquettes, cependant, étiquettes ne sont pas toujours possible d'obtenir pour une protéine particulière, augmenter le coût, peut perturber les événements à l'étude, et peut être gênant, en particulier pour le temps réel sur le site des expériences ou point de service diagnostics de soins.
L'étalon-or actuel biocapteurs sans étiquette est la résonance plasmonique de surface 4, mais les systèmes de résonance de plasmon de surface commerciale ont généralement une limite inférieure de détection typique de l'ordre de nM. Récemment, résonateurs optiques ont émergé comme une technologie prometteuse pour sans étiquette seule molécule biodétection 5. Résonateurs optiques travail basée sur le long terme (NS) confinement de la lumière 6,7. La lumière est évanescentecouplé dans ces dispositifs typiquement via une fibre optique. Lorsque la longueur d'onde de la lumière passant par la fibre correspond à la longueur d'onde de résonance du résonateur, la lumière efficacement couplé au résonateur. Ceci reflète la lumière couplée intérieurement totalement à l'intérieur de la cavité du résonateur à générer un champ évanescent dans le voisinage de la périphérie du résonateur. Comme particules entrent dans le champ évanescent et se lient au résonateur, la longueur d'onde de résonance des changements de résonateur en proportion du volume de la particule 8.
En termes de capacité de détection, résonateurs microsphères ont précédemment été utilisé pour détecter la grippe A seule particules de virus (100 nm) 9,10. Récemment, résonateurs optiques microsphères plasmonically améliorée ont été utilisées pour détecter seul sérum albumine bovine molécules oligonucléotides 11 et 8-mères 12, mais cette approche limite la zone de capture des particules à 0,3 um 2 par device. Grandes biocapteurs de la zone de capture sont idéales pour maximiser les chances de détection de particules. Les technologies actuelles à base de solution sans étiquette biocapteurs avec de grandes (> 100 um 2) zones de capture ont été limitées à la détection de particules de polystyrène ≥ 25 nm.
Nous avons développé un système de biocapteur sans étiquette basée sur la technologie de résonateur optique connu sous le verrouillage de fréquence optique Whispering évanescent résonateur (fleur) 13 (Figure 1) qui est capable de détecter en temps résolu de molécules simples en solution. FLEUR utilise la longue durée de vie des photons de résonateurs optiques microtoroid combinés à un verrouillage de fréquence commande de rétroaction, la détection équilibrée, et le filtrage de calcul pour détecter de petites particules jusqu'à des molécules de protéines simples. L'utilisation de la fréquence de verrouillage permet au système de toujours suivre la résonance de déplacement de la microtoroid que les particules se lient, sans la nécessité de balayer ou numériser la longueur d'onde de laser surgrandes plages. Les principes de la fleur peuvent être utilisés pour améliorer les capacités de détection des autres techniques, y compris l'amélioration plasmonique. Dans ce qui suit, les procédures pour effectuer FLEUR sont décrits.
Protocol
Representative Results
Discussion
Comme une particule se lie, la longueur d'onde de résonance (λ) du tore augmente. Si une particule délie, la longueur d'onde de résonance diminue en conséquence (un événement step-down). Le diamètre des particules (d) peut être déterminée par des histogrammes de l'amplitude de chaque étape de longueurs d'onde. La hauteur de chaque étape de la longueur d'onde varie en raison de variations de la taille des particules lié et en raison de l'emplacement sur le …
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
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