Этикетка без одной молекулы обнаружения, используя Microtoroid оптических резонаторов
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
Обнаружение малых концентраций молекул до предела одной молекулы имеет влияние в таких областях, как раннее выявление заболевания и фундаментальных исследований на поведение молекул. Холост методы обнаружения молекулы обычно используют этикетки, например, люминесцентных меток или квантовых точек, однако, этикетки не всегда доступны, увеличить стоимость и сложность, и может возмутить изучаемые события. Оптические резонаторы появились в качестве перспективного средства выявления одиночных молекул без использования меток. В настоящее время маленькая частица детектируется не-plasmonically повышенной жки оптического резонаторной системы в виде раствора в 25 нм полистирола сфера 1. Мы разработали метод, известный как частоту захвата оптического Whispering Evanescent резонатор (цветок), что может превзойти этот предел и достичь обнаружение одной молекулы без наклеек в водном растворе 2. Как сила сигнала шкалы с объемом частиц, наша работа представляет собой> 100x improvemeнт в сигнала к шуму (SNR) в течение текущего уровня техники. Вот процедуры за ЦВЕТОК представлены в целях повышения его использование в этой области.
Introduction
Одна молекула эксперименты обнаружения полезны для уменьшения количества анализируемого вещества, используемого в биосенсоров, для раннего выявления заболевания, и для изучения фундаментальных свойств молекул 3. Такие эксперименты, как правило, выполняется с использованием этикетки, однако, этикетки не всегда возможно получить для определенного белка, увеличивают стоимость, могут нарушать изучаемые события, и может быть неудобным, особенно для реального времени на месте экспериментов или точка-of диагностика по уходу.
В настоящее время золотым стандартом для этикеток без биодатчиков является поверхность плазмонного резонанса 4, однако коммерческий поверхностного плазмонного резонанса системы обычно имеют типичную нижний предел обнаружения на порядок нМ. Недавно, оптические резонаторы появились как перспективной технологии для biodetection одна молекула этикетки без 5. Оптический работы резонаторы на основе долгосрочных (нс) заключение света 6,7. Свет evanescentlyв сочетании в этих устройствах, как правило, с помощью оптического волокна. Когда длина волны света, проходящего через волокно соответствует резонансной длины волны резонатора, свет эффективно пары к резонатору. Это в сочетании света полное внутреннее отражает внутри полости резонатора генерирующего мимолетную поле в непосредственной близости от окружности резонатора. Как частицы попадают эванесцентной поле и связываются с резонатором, резонансной длины волны резонатора изменяется пропорционально объему частицы 8.
С точки зрения способности обнаружения, микросфер резонаторы были ранее использованы для детектирования единичных вируса гриппа А частицы (100 нм) 9,10. Недавно plasmonically повышенной микросфер оптические резонаторы были использованы для выявления одного сыворотки бычьего альбумина молекулы 11 и 8-мерных олигонуклеотида 12, однако этот подход ограничивает область захвата частиц до 0,3 мкм 2 в DEвице. Большие биосенсоры площадь захвата идеально подходят для максимизации шансов обнаружения частиц. Текущие решение на основе меток без биодатчиков технологии с большими (> 100 мкм 2) областях захвата были ограничены обнаружения частицы полистирола ≥ 25 нм.
Мы разработали этикетки без системы биодатчиков на основе оптической технологии, известной как резонатор захвата частоты оптического Whispering Evanescent резонатор (цветок) 13 (рисунок 1), который способен с временным разрешением обнаружения одиночных молекул в растворе. ЦВЕТОК использует длительный срок службы фотонную microtoroid оптических резонаторов в сочетании с частотой блокировки управления с обратной связью, сбалансированного обнаружения и вычислительной фильтрации для обнаружения мелких частиц вплоть до отдельных белковых молекул. Использование захвата частоты позволяет системе всегда отслеживать переключени резонанс microtoroid в виде частиц связываются, без необходимости подметать или сканировать длину волны лазера в течениебольшие диапазоны. Принципы цветочных могут быть использованы для повышения возможности обнаружения других методов, включая плазмонного усиления. В дальнейшем, процедуры для выполнения ЦВЕТОК описаны.
Protocol
Representative Results
Discussion
Как связывает частицы, резонансная длина волны (λ) тороида увеличивается. Если частица отвязывается, резонансная длина волны соответственно уменьшается (событие шаг вниз). Диаметр частиц (г) может быть определена с помощью гистограмм амплитуды каждого шага длин волн. Высота к?…
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).
