ללא תווית מולקולה בודדת איתור באמצעות תהודה אופטית Microtoroid
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
יש גילוי ריכוזים קטנים של מולקולות עד לגבול המולקולה הבודד השפעה על תחומים כגון גילוי מוקדם של מחלה, ומחקרים בסיסיים בהתנהגות של מולקולות. שיטות לזיהוי מולקולה בודדות נפוצות לנצל תוויות כגון תגי ניאון או נקודות קוונטיות, לעומת זאת, תוויות לא תמיד זמינות, להגדיל את העלות ומורכבות, ויכולות להפריע האירועים נחקר. תהודה אופטית צמחה כאמצעי מבטיח לזהות מולקולות בודדות ללא השימוש בתוויות. נכון לעכשיו החלקיקים הקטנים ביותר שזוהו על ידי מערכת שאינה plasmonically משופרת חשופה אופטית מהוד בפתרון הוא תחום פוליסטירן 25 ננומטר 1. פיתחנו טכניקה המכונית תדר נעילה אופטי לוחש חלוף מהוד (פרח) שיכול לעלות ממגבלה זו ולהשיג זיהוי מולקולה בודד ללא תווית בתמיסה מימית 2. כעוצמת אות מאזניים עם חלקיקי נפח, העבודה שלנו מייצגת improveme 100x>NT ביחס האות לרעש (SNR) על המצב הנוכחי של האמנות. כאן הנהלים מאחורי הפרחים מוצגים במאמץ להגדיל את השימוש שלה בתחום.
Introduction
ניסויי זיהוי מולקולה בודדים הם שימושיים להפחתת כמות אנליטי המשמשת בחיישנים, לגילוי מוקדם של מחלה, ולבדיקת התכונות הבסיסיות של מולקולות 3. ניסויים כאלה בדרך כלל מבוצעים באמצעות תוויות, לעומת זאת, תוויות לא תמיד ניתן להשיג לחלבון מסוים, להגדיל את העלות, יכול להפריע האירועים הנחקרים, ויכולות להיות לא נוח, במיוחד בזמן אמת באתר ניסויים או נקודה-של- אבחון טיפול.
תקן הזהב הנוכחי לbiosensing ללא תווית הוא תהודת plasmon פני השטח 4, עם זאת יש לי מערכות תהודת plasmon פני השטח המסחרית בדרך כלל גבול תחתון אופייני לזיהוי על סדר ננומטר. לאחרונה, תהודה אופטית צמחה כטכנולוגיה מבטיחה לbiodetection מולקולה בודדת ללא תווית 5. בהתבסס על הטווח הארוך (NS) תהודה עבודה אופטית כליאה של 6,7 אור. האור הוא evanescentlyבשילוב למכשירים אלה בדרך כלל באמצעות סיב אופטי. כאשר אורך הגל של האור עובר הסיבים תואם את אורך גל התהודה של המהוד, להדליק יעילות זוגות למהוד. אור שילוב זה לגמרי פנימי משקף בתוך החלל של מהוד יצירת שדה חלוף בקרבת ההיקף של המהוד. כחלקיקים להיכנס לתחום ולאגד חלוף למהוד, גל התהודה של שינויי המהוד באופן יחסי להיקף החלקיקים 8.
במונחים של יכולת איתור, תהודה microsphere שקודם לכן שימשה לזיהוי שפעת יחידה חלקיקי נגיף (100 ננומטר) 9,10. לאחרונה, תהודה אופטית microsphere plasmonically משופר כבר משמשת לאיתור סרום שור יחיד אלבומין מולקולות 11 וoligonucleotides 8-Mer 12, לעומת זאת גישה זו מגבילה את האזור ללכוד חלקיקי 0.3 מיקרומטר 2 לדהסְגָן. חיישנים גדולים יותר באזור ללכוד הם אידיאליים למקסם את הסיכוי לגילוי חלקיקים. טכנולוגיות נוכחית מבוסס פתרון ללא תווית biosensing עם אזורי לכידה (> 100 מיקרומטר 2) גדולים היו מוגבלות לגילוי חלקיקי פוליסטירן ≥ 25 ננומטר.
פיתחנו מערכת ללא תווית biosensing המבוססת על טכנולוגית מהוד אופטית הידוע בתדר נעילה אופטי לוחש חלוף מהוד (פרח) 13 (איור 1), כי הוא מסוגל זיהוי של מולקולות בודדות בפתרון הזמן נפתרה. פרח משתמש החיים פוטון הארוכים של תהודה אופטית microtoroid בשילוב עם בקרת תדר נעילת משוב, זיהוי מאוזן, וסינון חישובית לאיתור חלקיקים קטנים עד מולקולות חלבון בודדות. השימוש בנעילת תדר מאפשרת המערכת תמיד לעקוב אחר תהודת ההסטה של microtoroid כחלקיקים לאגד, ללא הצורך לטאטא או לסרוק את אורך גל הלייזר עלטווחים גדולים. העקרונות של פרח יכולים לשמש כדי לשפר את יכולות זיהוי של טכניקות אחרות, כוללים שיפור plasmonic. בדברים שלהלן, ההליכים לביצוע פרח מתוארים.
Protocol
Representative Results
Discussion
כחלקיקים נקשר, גל התהודה (λ) של עליות toroid. אם חלקיק מסיר את חבלים מעל, גל התהודה יורד בהתאמה (אירוע צעד למטה). קוטר החלקיקים (ד) ניתן לקבוע באמצעות היסטוגרמות של משרעת של כל שלב אורך גל. הגובה של כל שלב אורך גל משתנה בהתאם לשינויים בגודל של החלקיקים הכבולים ובשל ?…
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).
