Label-fri enda molekyl Detection Använda Microtoroid optiska 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
Upptäcka små koncentrationer av molekyler ner till enda molekyl gränsen har inverkan på områden som tidig upptäckt av sjukdomen, och grundläggande studier av beteendet hos molekyler. Enstaka tekniker molekyl upptäckt utnyttjar ofta märkningar såsom fluorescerande taggar eller kvantprickar, men etiketterna inte alltid tillgängliga, öka kostnaden och komplexiteten, och kan störa de händelser som studeras. Optiska resonatorer har dykt upp som ett lovande sätt att upptäcka enstaka molekyler utan användning av etiketter. För närvarande den minsta partikeln detekteras av en icke-plasmonically utökad nakna optisk resonator systemet i lösning är en 25 nm polystyren sfär 1. Vi har utvecklat en teknik som kallas Frequency Låsa optisk Whispering Evanescent Resonator (BLOMMA) som kan överträffa denna gräns och uppnå etikett fria enda molekyl upptäckt i vattenlösning 2. Som signalstyrkan skalor med partikelvolymen representerar vårt arbete a> 100x improvement i signal-brusförhållandet (SNR) jämfört med den nuvarande teknikens ståndpunkt. Här förfaranden bakom BLOMMA presenteras i ett försök att öka dess användning i fält.
Introduction
Enda molekyl experiment upptäckt är användbara för att minska mängden analyt som används i biosensorer, för tidig upptäckt av sjukdomen, och för att undersöka de grundläggande egenskaperna hos molekyler 3. Sådana experiment utförs typiskt med användning av etiketter, dock etiketter är inte alltid möjligt att erhålla för ett särskilt protein, öka kostnaden, kan störa de händelser som studeras, och kan vara obekvämt, särskilt för realtid på plats experiment eller point-of vård diagnostik.
Den aktuella guldnormen för etikettfritt biosensing är ytplasmonresonans 4, men de kommersiella ytplasmonresonans system har normalt en typisk lägre detektionsgränsen i storleksordningen nM. På senare tid har optiska resonatorer dykt upp som en lovande teknik för etikettfritt enda molekyl biodetection 5. Optiska resonatorer arbete utifrån de långsiktiga (ns) inneslutning av ljus 6,7. Ljuset är övergåendekopplas in dessa anordningar typiskt via en optisk fiber. När våglängden för ljuset som går genom fibern matchar resonansvåglängden hos resonatorn, tända effektivt kopplad till resonatorn. Detta kopplat ljus totalt internt reflekterar inom resonatorn hålighet generera en evanescent fält i närheten av omkretsen av resonatorn. Som partiklarna kommer in det evanescenta fältet och binder till resonatorn, resonansvåglängden hos resonatorn ändras i proportion till partikelns volym 8.
När det gäller detekteringsförmåga, har mikrosfärer resonatorer tidigare använts för att detektera enstaka influensa A viruspartiklar (100 nm) 9,10. Nyligen har plasmonically-förstärkt mikrosfär optiska resonatorer använts för att detektera enstaka bovinserumalbumin molekyler 11 och 8-mer oligonukleotider 12, men detta tillvägagångssätt begränsar partikelinfångningsområdet till 0,3 ^ m 2 per device. Större biosensorer fånga området är idealiska för att maximera chansen att partikeldetektering. Aktuella lösningsbaserade märkningsfria biosensing teknik med stora (> 100 ^ m 2) infångningsområdena har varit begränsade till detektering av polystyrenpartiklar ≥ 25 nm.
Vi har utvecklat en etikett fritt biosensing system baserat på optisk resonator teknik som kallas frekvens Låsning Optisk Whispering Evanescent Resonator (blomma) 13 (figur 1) som är kapabel att tidsupplöst detektering av enstaka molekyler i lösning. BLOMMA använder långa fotonen livstid microtoroid optiska resonatorer i kombination med frekvenslåsningsåterkopplingsstyrning, balanserad detektering och beräknings filtrering för att upptäcka små partiklar ned till enskilda proteinmolekyler. Användningen av frekvenslåsning tillåter systemet att alltid spåra växlings resonans av microtoroid som partiklar binder, utan behov av att sopa eller skanna laservåglängden överstora områden. Principerna för BLOMMA kan användas för att förbättra detekteringsfunktioner i andra tekniker inklusive plasmoniska förbättring. I det följande är de förfaranden för att utföra BLOMMA beskrivits.
Protocol
Representative Results
Discussion
Som en partikel binder, resonans våglängd (λ) toroidens ökar. Om en partikel unbinds, motsvarande minskar resonans våglängd (en step-down händelse). Partikeldiametern (d) kan bestämmas genom histogram av amplituden för varje våglängdssteg. Höjden på varje våglängdssteg varierar på grund av storleksvariationer för den bundna partikeln och på grund av den plats på microtoroid där partikeln binds. Den maximala förändringen i resonansvåglängd (steg höjd) inträffar när partiklar b…
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 |
References
- 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).
