Etikett-free enkelt molekyl Detection Bruke Microtoroid Optiske resonatorer

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

Påvise små konsentrasjoner av molekyler ned til grensen enkelt molekyl har innvirkning på områder som for eksempel tidlig påvisning av sykdommen, og grunnleggende studier av oppførselen til molekylene. Enkelt molekyl deteksjonsteknikker vanligvis benytter etiketter som fluorescerende koder eller kvanteprikker, men etikettene er ikke alltid tilgjengelig, øke kostnader og kompleksitet, og kan forurolige hendelsene som studeres. Optiske resonatorer har dukket opp som et lovende middel for å detektere enkle molekyler uten bruk av etiketter. I dag den minste partikkel oppdaget av en ikke-plasmonically forbedret bart optisk resonator system i løsningen er en 25 nm polystyren sfære ^1. Vi har utviklet en teknikk kjent som Frequency Låsing Optical Whispering Evanescent Resonator (blomst) som kan overgå denne grensen og oppnå label-free enkelt deteksjon molekyl i vandig løsning ^2. Som signalstyrke skalerer med partikkel volum, representerer vårt arbeid a> improveme 100xnt i signal-til-støy-forhold (SNR) over den nåværende teknikkens stand. Her prosedyrene bak FLOWER er presentert i et forsøk på å øke sin bruk i felten.

Introduction

Enkelt molekyl eksperimenter deteksjons er nyttige for å redusere mengden av analytt som brukes i biosensorer, for tidlig påvisning av sykdommer, og for å undersøke de grunnleggende egenskaper av molekyler ^3. Slike eksperimenter blir typisk utført ved anvendelse av etiketter, men etikettene er ikke alltid mulig å oppnå for et bestemt protein, øker kostnadene, kan forstyrre hendelsene som blir studert, og kan være upraktisk, særlig for sanntid på stedet eksperimenter eller point-of- vesenet diagnostikk.

Den nåværende gullstandard for etikett-fri biosensing er overflate-plasmonresonans ^4, men den kommersielle overflate-plasmonresonans-systemer har vanligvis en typisk nedre deteksjonsgrense på rekkefølgen av nM. Nylig har optiske resonatorer dukket opp som en lovende teknologi for label-free enkelt molekyl biodetection ^5. Optisk resonatorer arbeid basert på de langsiktige (ns) sperring av lys ^6,7. Lys er evanescentlykoplet inn i disse enhetene vanligvis via en optisk fiber. Når bølgelengden til lys som går gjennom fiberen stemmer overens med resonansbølgelengden av resonatoren, lys effektivt par til resonatoren. Dette kombinert lyset reflekteres totalt internt i resonatoren hulrom generering av et flyktig felt i nærheten av omkretsen av resonatoren. Som partikler gå inn i det flyktige feltet, og binder seg til resonatoren, resonansbølgelengden av resonator endringene i forhold til volumet av partikkel ^8.

I form av gjenkjenningsmuligheter, har mikro resonatorer tidligere blitt brukt til å detektere enkelt influensa A-virus partikler (100 nm) ^9,10. Nylig har plasmonically forbedret mikro optiske resonatorer blitt anvendt for å påvise enkelt bovint serumalbumin molekyler ^{11 og} 8-mer oligonukleotider ^12, men denne fremgangsmåten begrenser partikkelfangstområdet til 0,3 mikrometer ^{2 per} device. Større fangst området biosensorer er ideelle for å maksimere sjansen for partikkeldeteksjon. Kortsiktig løsning-baserte label-free biosensing teknologier med store (> 100 mikrometer ²⁾ fangst områder har vært begrenset til å påvise polystyrenpartikler ≥ 25 nm.

Vi har utviklet en etikett fritt biosensing system basert på optisk resonator teknologi kjent som Frequency Låsing Optical Whispering Evanescent Resonator (blomst) ^{13 (figur} 1) som er i stand til tids løst påvisning av enkle molekyler i løsningen. FLOWER bruker lang foton levetid microtoroid optiske resonatorer kombinert med frekvens låsing tilbakemeldinger kontroll, balansert deteksjon, og beregnings filtrering for å oppdage små partikler ned til enkeltproteinmolekyler. Bruken av frekvenslåse kan systemet alltid spore forskyvning resonans av microtoroid som binder partiklene, uten behov for å feie eller skanne laserens bølgelengde løpetstore områder. Prinsippene for FLOWER kan brukes til å forbedre gjenkjenning evner av andre teknikker, inkludert plasmonic ekstrautstyr. I det følgende er prosedyrene for å utføre FLOWER beskrevet.

Protocol

1. Forsøksoppsett og Prøvepreparering Fremstill microtoroids ved hjelp av litografi, etsing, og som smelter prosedyre som beskrevet tidligere er seks. Fremstill microtoroids på toppen av en silisiumskive (chip) som vanligvis har en større diameter på 80-100 pm, og en mindre diameter på 2 um. Slapp omtrent en meter av single-modus fiber (125 mikrometer kledning, 4,3 mikrometer modus feltet diameter) fra sin fiber spolen. I midten av den avviklede del av den optiske fiber, k…

Representative Results

Partikkel bindende hendelser er helt klart sett på som step-lignende endringer i resonans bølgelengde av microtoroid over tid (Figur 2A). Høyder av disse trinnene er vist som et histogram i figur 2B. Figurene 2-4 viser representative spor fra binding av exosomes (nanovesicles), 5 nm silika perler, og single mennesker interleukin-2 molekyler, henholdsvis. Det faktum at de trinnlignende arrangement skaleres med partikkelstørrelse viser at teknikken ha…

Discussion

Som en partikkel binder, resonansbølgelengden (λ) av toroidelementene øker. Hvis en partikkel unbinds, resonans bølgelengde tilsvarende reduseres (en step-down hendelse). Den partikkeldiameter (d) kan bestemmes gjennom histogrammer av amplituden for hver bølgelengde trinn. Høyden på hver bølgelengde trinn varierer på grunn av størrelsesvariasjoner fra den bundne partikkel og på grunn av plasseringen på microtoroid hvor partikkelen binder. Den maksimale forandring i resonansbølgelengden (tr…

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