Microtoroid ऑप्टिकल Resonators का उपयोग लेबल मुक्त एकल अणु का पता लगाने
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
नीचे एक अणु को सीमित करने के अणुओं के छोटे सांद्रता का पता लगाने के इस तरह के रोग का जल्दी पता लगाने, और अणुओं के व्यवहार पर मौलिक अध्ययन जैसे क्षेत्रों पर प्रभाव पड़ता है। एक अणु पता लगाने की तकनीक सामान्यतः हालांकि, लेबल लागत और जटिलता में वृद्धि, हमेशा उपलब्ध नहीं हैं, और घटनाओं का अध्ययन किया जा रहा उपद्रव कर सकते हैं जैसे फ्लोरोसेंट टैग या क्वांटम डॉट्स के रूप में लेबल का उपयोग। ऑप्टिकल resonators के लेबल के उपयोग के बिना एकल अणुओं का पता लगाने के लिए एक आशाजनक साधन के रूप में उभरा है। वर्तमान में समाधान में एक गैर plasmonically-बढ़ाया नंगे ऑप्टिकल गुंजयमान यंत्र प्रणाली द्वारा पता लगाया सबसे छोटा कण एक 25 एनएम पॉलीस्टीरिन क्षेत्र एक है। हम ऑप्टिकल फुसफुसा क्षणभंगुर गुंजयमान यंत्र जलीय समाधान 2 में लेबल मुक्त एक अणु का पता लगाने के लिए इस सीमा को पार करने और प्राप्त कर सकते हैं कि (फूल) ताला लगा आवृत्ति के रूप में जाना जाता है एक तकनीक विकसित की है। सिग्नल की शक्ति कण की मात्रा के साथ तराजू के रूप में, हमारे काम एक> 100x improveme का प्रतिनिधित्व करता हैNT कला की वर्तमान स्थिति पर शोर अनुपात (SNR) को संकेत में। यहाँ फूल के पीछे प्रक्रियाओं क्षेत्र में इसके उपयोग को बढ़ाने के प्रयास में प्रस्तुत कर रहे हैं।
Introduction
एकल अणु का पता लगाने के प्रयोगों रोग का जल्दी पता लगाने के लिए biosensors में इस्तेमाल विश्लेष्य की राशि को कम करने के लिए उपयोगी होते हैं, और अणुओं 3 के मौलिक गुणों की जांच के लिए। इस तरह के प्रयोगों को आम तौर पर लेबल, हालांकि, लेबल हमेशा की घटनाओं का अध्ययन किया जा रहा उपद्रव कर सकते हैं, लागत में वृद्धि, एक विशेष प्रोटीन के लिए प्राप्त करने के लिए संभव नहीं हैं, और विशेष रूप से साइट पर प्रयोगों या बिंदु के- वास्तविक समय के लिए असुविधाजनक हो सकता है का उपयोग करते हुए प्रदर्शन कर रहे हैं ध्यान निदान।
लेबल मुक्त biosensing के लिए वर्तमान सोने के मानक हालांकि वाणिज्यिक सतह plasmon अनुनाद प्रणाली आम तौर पर एनएम के आदेश पर पता लगाने के एक ठेठ निचली सीमा है, सतह plasmon अनुनाद 4 है। हाल ही में, ऑप्टिकल resonators के लेबल से मुक्त एक अणु biodetection 5 के लिए एक आशाजनक प्रौद्योगिकी के रूप में उभरा है। लंबी अवधि (एनएस) पर आधारित ऑप्टिकल resonators काम प्रकाश 6.7 का कारावास। लाइट evanescently हैआम तौर पर एक ऑप्टिकल फाइबर के माध्यम से इन उपकरणों में मिलकर। फाइबर के माध्यम से जा रहे प्रकाश की तरंग दैर्ध्य गुंजयमान यंत्र की गूंज तरंगदैर्ध्य से मेल खाता है, कुशलता से गुंजयमान यंत्र के लिए जोड़ों के प्रकाश। इस युग्मित प्रकाश पूरी तरह से आंतरिक रूप से गुंजयमान यंत्र की परिधि के आसपास के क्षेत्र में एक क्षणभंगुर क्षेत्र पैदा गुंजयमान यंत्र की गुहा के भीतर दर्शाता है। कणों गुंजयमान यंत्र, कण 8 की मात्रा के अनुपात में गुंजयमान यंत्र परिवर्तन की गूंज तरंग दैर्ध्य के क्षणभंगुर क्षेत्र और बाँध प्रवेश के रूप में।
पता लगाने की क्षमता के संदर्भ में, microsphere resonators के पहले एकल इन्फ्लूएंजा ए वायरस कणों (100 एनएम) 9,10 पता लगाने के लिए इस्तेमाल किया गया है। हाल ही में, plasmonically-बढ़ाया microsphere ऑप्टिकल resonators हालांकि इस दृष्टिकोण डे प्रति 0.3 माइक्रोन से 2 कण कब्जा क्षेत्र को सीमित करता है, अणुओं 11 और 8 मेर oligonucleotides 12 एल्बुमिन एकल गोजातीय सीरम पता लगाने के लिए इस्तेमाल किया गया हैउपाध्यक्ष। बड़ी कब्जा क्षेत्र biosensors के कण का पता लगाने का मौका अधिकतम करने के लिए आदर्श होते हैं। बड़े (> 100 माइक्रोन 2) पर कब्जा क्षेत्रों के साथ मौजूदा समाधान आधारित लेबल मुक्त biosensing प्रौद्योगिकियों polystyrene कणों ≥ 25 एनएम का पता लगाने के लिए सीमित कर दिया गया है।
हम समाधान में एकल अणुओं का समय हल का पता लगाने में सक्षम है कि ऑप्टिकल फुसफुसा क्षणभंगुर गुंजयमान यंत्र (फूल) 13 (चित्रा 1) ताला लगा आवृत्ति के रूप में जाना ऑप्टिकल गुंजयमान यंत्र प्रौद्योगिकी पर आधारित एक लेबल मुक्त biosensing प्रणाली विकसित की है। फूल आवृत्ति ताला लगा प्रतिक्रिया नियंत्रण, संतुलित का पता लगाने, और एकल प्रोटीन अणुओं के लिए नीचे छोटे कणों का पता लगाने के कम्प्यूटेशनल छानने के साथ संयुक्त microtoroid ऑप्टिकल resonators की लंबी फोटॉन जीवनकाल का उपयोग करता है। आवृत्ति लॉकिंग का उपयोग झाडू या लेजर तरंगदैर्ध्य से अधिक स्कैन करने के लिए आवश्यकता के बिना, कण बाँध के रूप में सिस्टम हमेशा microtoroid के स्थानांतरण प्रतिध्वनि को ट्रैक करने की अनुमति देता हैबड़ी पर्वतमाला। फूल के सिद्धांतों plasmonic वृद्धि सहित अन्य तकनीकों का पता लगाने क्षमताओं को बढ़ाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। क्या इस प्रकार में, फूल प्रदर्शन करने के लिए प्रक्रियाओं वर्णित हैं।
Protocol
Representative Results
Discussion
एक कण बांधता के रूप में, toroid बढ़ जाती है की प्रतिध्वनि तरंगदैर्ध्य (λ)। एक कण unbinds हैं, तो प्रतिध्वनि तरंगदैर्ध्य तदनुसार (एक कदम नीचे घटना) कम हो जाती है। कण व्यास (घ) तरंग दैर्ध्य प्रत्येक कदम के आयाम ?…
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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