Использование чрезвычайных оптической передачи для количественного определения сердечного биомаркеров в сыворотке крови человека
Summary
Эта работа описывает метод литография nanoimprinting для изготовления высококачественных зондирования массивы, которые работают на принципе чрезвычайных оптической передачи. Биосенсор недорогой, надежный, легкий в использовании и может обнаружить сердца тропонина I в сыворотке в клинически значимых концентрациях (99й процентили среза ∼10-400 пг/мл, в зависимости от анализа).
Abstract
Для платформы biosensing иметь клиническое значение в настройках точки обслуживания (ПСУ) анализа чувствительности, воспроизводимость и способность надежно контролировать аналитов на фоне сыворотки крови человека имеют решающее значение.
Литография Nanoimprinting (NIL) был использован для изготовления, при низких затратах, зондирования областей, как большой, как 1,5 мм х 1,5 мм. Зондирования поверхности был сделан из высокой верности массивов nanoholes, каждый с площадью около 140 Нм2. Большая повторяемость NIL стало возможным использовать один чип, один измерение стратегии на 12 индивидуально готовых поверхностей, с минимальными отклонениями чип на чипе. Эти чипы резонанс (ЛСПР) поверхностного плазмон nanoimprinted локализованные были тщательно протестированы на их способность надежно измерить bioanalyte в концентрациях, колеблется от 2,5 до 75 нг/мл посреди фоне комплекса биожидкостей в этом случае, человеческой сыворотки. Высококачественный NIL позволяет поколения больших зондирования районов, который в свою очередь исключает потребность для микроскопа, как этот биодатчик может легко взаимодействовать с источником света часто лабораторных. Эти Биодатчики можно обнаружить сердца тропонина в сыворотке с высокой чувствительностью, при пределе обнаружения (LOD) 0,55 нг/мл, который является клинически значимых. Они также показывают низкой дисперсией чип на чипе (из-за высокое качество процесс изготовления). Результаты соизмеримы с широко используемым энзим соединенный assay иммуносорбента (ELISA)-на основе анализов, но этот метод сохраняет преимущества ЛСПР зондирования платформы (то есть, ограниченой миниатюризации и мультиплексирование, что делает его более реальным для приложений POC).
Introduction
Химические датчики, основанные на nanohole массивы были предметом многочисленных исследований, поскольку Эббесен et al. 19981был опубликован первый доклад о чрезвычайных светопропускания (EOT). Когда свет падает на периодические массивы структур nanohole аспектов подпункта волны, расширенной передачи происходит на конкретные длинах волн. Это происходит, когда падающего света пары с поверхности поляритон блох волны (BW-SPP) и/или локализованные поверхностных плазмонов (LSP)2.
Основной физический принцип, эксплуатируемых при простой biosensing с такие периодические массивы. Адсорбция молекул на или вблизи интерфейс металла изменяет диэлектрическая константа среды при соприкосновении с металлом, в свою очередь смены местоположения передачи полос в спектре. Спектр, сама может быть отрегулирован нано Инжиниринг в форму, размер и разделения расстояние3,4,5. Дизайн датчики, основанные на СРВ имеют характерные полосы в их спектры, которые облегчают конкретных заданий6,,78 в ходе расследования молекулярных привязки событий. Это решающее преимущество над коммерчески доступных поверхностного плазмон резонанс (СРП) платформах.
Датчики с помощью СРВ обычно включают источника света, оптически выровнены таким образом, что коллимированном пучке инцидента на поверхности зондирования. Методы для создания больших nanohole поверхности, такие как шаблоны Кополимер и вмешательства и литография наносферы, имеют плохой воспроизводимости9. Из-за этих ограничений в точно изготовить большие поверхности, которые показывают явления EOT оптический микроскоп был обязан правильно позицию источника света и детектора. Чтобы упростить техника, высокое качество nanoimprinting литография работал (NIL)10 . Это позволило производство больших датчик поверхностей11 (Шкала мм), избавляя от необходимости для микроскопа искать зондирования поверхности на чипе. Вместо этого этот датчик может быть легко сопряжена с стандартные волоконно-оптического кабеля.
Так как вершины передачи для этого массива nanohole, содержатся в видимую область ближней ИК-области спектра (NIR), это идеально подходит для зондирования события привязки для биомолекул в водной среде. Моделировалась ожидаемое поведение оптических nanohole массива. Результат был затем проверяется путем исследования с жидкостями стандартных преломления (РИ). Этот массив затем был использован для измерения концентрации сердечной тропонина I (cTnI) в сложных фоне человеческой сыворотки. cTnI является клинической золотым стандартом для диагностики острого инфаркта миокарда.
Используя этот датчик, это возможно для выявления и количественной оценки cTnI в сыворотке крови человека при пределе обнаружения (LOD) 0,55 нг/мл, который является клинически значимых. Обнаружение гораздо быстрее, чем наиболее часто используемые технологии в этой области, энзим соединенный assay иммуносорбента (ELISA). Кроме того, зондирования поверхности могут легко быть регенерировано и поэтому повторно. Таким образом эта работа показывает обещание nanohole массивы как жизнеспособного точки обслуживания (POC) технология для biosensing в сложных biofluids.
Protocol
Representative Results
Discussion
Моделирование взаимодействия падающего света и наноструктур делает возможным определить соответствующие пик (в спектре передачи), чьи сдвига может быть записано как функция концентрации аналита. Важно отметить, что локализация полос относительно структуры датчика имеет решающее зна…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
AP признает поддержку проф T Venkatesan, директор, NUS нанонауки и нанотехнологии инициативы и Канцелярии заместителя президента (национальный университет Сингапура) (R-398-000-084-646). ХЗЛ признает поддержку из Сингапура министерства от здравоохранения Национальный совет медицинских исследований под его врач ученый схемы финансирования, NMRC/CSA/035/2012 и в национальном университете Сингапура. Спонсоры имел никакой роли в дизайн исследования, сбор данных и анализ, решение опубликовать или подготовка рукописи.
Materials
| Electron Beam Lithography setup | Elionix ELS 700 | ||
| o-Xylene | Sigma Aldrich | 95662 | |
| EB resist | Sumitomo | NEB-22A2 | |
| Developer reagent | Shipley Company | Microposit MF 321 | |
| Electroplating machine | Technotrans AG RD 50 | ||
| Photoresist stripper | Rohm and Haas Electronic Materials LLC | Microposit Remover 1165 | |
| Etching System | Trion Phantom | ||
| Heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl)trichlorosilane | Gelest (PA, USA) | 78560-44-8 | |
| SAM coater | Sorona Inc. | AVC 150M | |
| Photo-curable NIL resist | micro resist technology GmbH | mr-UVCur21-300nm | |
| Light Curing System | Dymax | Model 2000 Flood | |
| E-beam deposition machine | Denton Explorer | ||
| UV-visible spectrometer | Ocean optic HR2000+ (Dunedin, FL, USA) | ||
| Standard refractive index liquids | Cargill Inc (Cedar Grove, USA) | 18032 | |
| Plotting software | Origin | Origin Pro 9 | |
| 10-carboxy-1-decanethiol | Dojindo Laboratories (Japan) | C385-10 | |
| 1-octanethiol | Sigma-Aldrich, MO, USA | 471386 | |
| Sulfo-N-hydroxysuccinimide and 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide | BioRad (CA, USA) | 1762410 | |
| Anti-troponin antibody 560 | Hytest (Finland) | 4T21 | |
| Ethanolamine-HCl solution | BioRad (CA, USA) | 1762450 | |
| Surface Plasmon Resonance setup | BioRad XPR36 (Haifa, Israel) | ||
| Multiplexed SPR chip | BioRad | GLC | |
| Human cTnI standard | Phoenix Pharmaceuticals | EK -311-05 | |
| Glycine-HCl | BioRad (CA, USA) | 1762221 |
Riferimenti
- Ebbesen, T. W., Lezec, H. J., Ghaemi, H., Thio, T., Wolff, P. Extraordinary optical transmission through sub-wavelength hole arrays. Nature. 391 (6668), 667-669 (1998).
- Krishnan, A., et al. Evanescently coupled resonance in surface plasmon enhanced transmission. Optics Comm. 200 (1), 1-7 (2001).
- Yang, J. -. C., et al. Enhanced optical transmission mediated by localized plasmons in anisotropic, three-dimensional nanohole arrays. Nano letters. 10 (8), 3173-3178 (2010).
- Kim, J. H., Moyer, P. J. Transmission characteristics of metallic equilateral triangular nanohole arrays. Appl Phys Lett. 89 (12), 121106 (2006).
- Liu, H., Lalanne, P. Microscopic theory of the extraordinary optical transmission. Nature. 452 (7188), 728-731 (2008).
- Shon, Y. -. S., Choi, H. Y., Guerrero, M. S., Kwon, C. Preparation of nanostructured film arrays for transmission localized surface plasmon sensing. Plasmonics. 4 (2), 95-105 (2009).
- Xiang, G., Zhang, N., Zhou, X. Localized surface plasmon resonance biosensing with large area of gold nanoholes fabricated by nanosphere lithography. Nanoscale Res Lett. 5 (5), 818 (2010).
- Valsecchi, C., Brolo, A. G. Periodic metallic nanostructures as plasmonic chemical sensors. Langmuir. 29 (19), 5638-5649 (2013).
- Gates, B. D., et al. New approaches to nanofabrication: molding, printing, and other techniques. Chem Rev. 105 (4), 1171-1196 (2005).
- Guo, L. J. Nanoimprint lithography: methods and material requirements. Adv Mater. 19 (4), 495-513 (2007).
- Wong, T. I., et al. High throughput and high yield nanofabrication of precisely designed gold nanohole arrays for fluorescence enhanced detection of biomarkers. Lab on a Chip. 13 (12), 2405-2413 (2013).
- Deng, J., Wong, T. I., Sun, L. L., Quan, C., Zhou, X. Acceleration of e-beam lithography by minimized resist exposure for large scale nanofabrication. Microelect Eng. 166, 31-38 (2016).
- Wu, L., Bai, P., Li, E. P. Designing surface plasmon resonance of subwavelength hole arrays by studying absorption. JOSA B. 29 (4), 521-528 (2012).
- Ding, T., et al. Quantification of a cardiac biomarker in human serum using extraordinary optical transmission (EOT). PloS one. 10 (3), 0120974 (2015).
- Im, H., Sutherland, J. N., Maynard, J. A., Oh, S. -. H. Nanohole-based surface plasmon resonance instruments with improved spectral resolution quantify a broad range of antibody-ligand binding kinetics. Anal Chem. 84 (4), 1941-1947 (2012).
- Bhagawati, M., You, C., Piehler, J. Quantitative real-time imaging of protein-protein interactions by LSPR detection with micropatterned gold nanoparticles. Anal Chem. 85 (20), 9564-9571 (2013).
