无标记单分子检测使用微型环光学谐振器
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
检测低浓度的分子到单分子限制对如能早期发现疾病，并在分子的行为基础研究领域的影响。单分子检测技术通常利用诸如荧光标签或量子点，标签然而，标签不总是可用的，增加了成本和复杂性，并可能扰乱所研究的事件。光学谐振器已成为一个有前途的手段来检测单分子，而不使用标签。目前在溶液通过非plasmonically增强裸光谐振器系统检测到的最小的颗粒是25纳米的聚苯乙烯球1。我们已经开发了一种称为频率锁定光学花落逝谐振器（花），可以在水溶液中2超过这个限制，实现无标记单分子检测的技术。由于信号强度与尺度颗粒体积，我们的工作表示> 100X improveme核苷酸中的信号，以对现有技术的当前状态的噪声比（SNR）。这里后面FLOWER的程序都在努力提高在该领域的使用情况。
Introduction
单分子检测的实验是用于降低用于疾病的早期检测的分析物的生物传感器的使用量，是有用的，并且用于检查分子3的基本性质。这种实验是使用标签，但是，标签不总是能够获得对特定蛋白质，增加了成本，可能扰乱正在研究中的事件，并且可以是不方便，尤其是即时现场实验或点OF-典型地护理诊断。
目前金标准的无标记生物传感器是表面等离子体共振4，但是商业表面等离子体共振系统通常具有检测纳米的量级的典型下限。近日，光学谐振器已成为一个有前途的技术，无标签的单分子生物检测5。基于长期（NS）光学谐振器的工作光6,7限制。光是渐逝典型地通过光纤耦合到这些设备。当经过光纤的光的波长的谐振器的谐振波长相匹配时，点亮有效地耦合到谐振器。此耦合光谐振器的空腔中的谐振器的周附近产生的渐逝场中的全内反射。作为颗粒进入渐逝场和绑定到谐振器中，谐振器的变化成比例地粒子8的容积的谐振波长。
在检测能力方面，微谐振器前面已用于检测单个A型流感病毒颗粒（100纳米）9,10。最近，plasmonically增强微球的光学谐振器已经被用于检测的单牛血清白蛋白分子 11和8-mer的寡核苷酸12，但是这种方法限制了粒子捕捉区域至0.3μm2每日副。面积较大的捕捉生物传感器是理想的最大化粒子探测的机会。当前的解决方案为基础的无标记生物传感技术与大（> 100微米2）捕获的区域被限制于检测到聚苯乙烯颗粒≥25纳米。
我们已开发了一种基于光谐振器技术被称为频率锁定光学耳语倏逝谐振器（花）13（图1）一个无标记生物传感系统，其能够时间分辨单分子检测在溶液中的。花使用微型环光谐振器结合频率锁定反馈控制，平衡检测，并计算滤波以向下检测小颗粒以单个蛋白质分子的长光子寿命。使用频率锁定的允许系统始终跟踪微型环的移位共振作为颗粒结合，而无需扫或扫描激光波长过大范围。可以使用花的原理来增强的其他技术的检测能力包括电浆增强。在下文中，该程序用于执行FLOWER进行说明。
Protocol
Representative Results
Discussion
作为粒子结合，的环形增大的谐振波长 （λ）。如果粒子解除绑定，谐振波长相应减少（降压事件）。粒径（d）可以通过各波长步骤的幅度的直方图来确定。每个波长台阶的高度而变化，由于结合的粒子的尺寸变化和由于对那里的粒子结合的微型环的位置。当颗粒粘合在微型环其中电场（E 0，max）为最高的赤道在共振波长（步骤高度）的最大变化发生。这个最?…
Disclosures
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 |
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