인 - 더 - 필드 응용 프로그램에 대한 설계 및 앱 타머 - 금 나노 입자 기반 비색 분석법 개발
Summary
인 – 필드 응용을위한 작은 분자 검출하는 앱 타머 – 금 나노 입자의 비색 분석의 디자인 및 개발 평가 하였다. 또한, 스마트 디바이스 측색 프로그램 (APP)이 유효하고, 분석의 장기 보존이 분야에 사용하기 위해 설립되었다.
Abstract
인 – 필드 응용을위한 작은 분자 검출하는 앱 타머 – 금 나노 입자 (AuNP) 비색 분석의 디자인 및 개발 평가 하였다. 대상 선택 AuNP 기반 컬러 세이 제어 개념 증명 실험 설정에서 개발되었다. 그러나 이러한 방식들은 실험실 설정 이후 실용화를 결정하는 고장 지점으로 작용하지 않았다. 이 작품은 작은 분자 분석 및 인 – 더 – 필드 설정에 대한 분석을 사용하는 앱 타머-AuNP 비색 분석을 설계, 개발 및 문제를 해결하는 일반적인 방법을 설명합니다. 흡착 된 압 타머의 나노 입자 표면에 패시베이션 및 줄이고 비 표적 분석을 거짓 양성 반응을 제거하기위한 수단을 제공하기 때문에 분석은 이점이있다. 실질적인 사용이 시스템은 앱 타머-AuNP 에세이뿐만 아니라 유통 기한을 한정해야 천이하지만 장기 저장 capabil를 확장하기위한 방법 및 절차를 확립ities. 또한, 측색 판독으로 인식 된 문제들 중 하나를 정확하게 컬러의 미묘한 변화를 자주 확인하는 분석의 부담이다. 필드 분석에 대한 부담을 완화하기 위해, 컬러 분석 프로토콜은 실험실 수준의 장비에 이러한 작업을 수행 할 필요없이 컬러 식별 임무를 수행하도록 설계되었다. 데이터 분석 프로토콜을 작성하고 테스트하는 방법을 설명한다. 그러나 이해 흡착 앱 타머 세이의 설계에 영향을, 상호 작용은 앱 타머 대상과 연관 AuNPs 더욱 연구를 필요로한다. 얻은 지식은 개선 된 기능을 앱 타머를 맞게 발생할 수 있습니다.
Introduction
색채는 분석 화학에서 사용되는 가장 오래된 기술 중 하나입니다. 이 기술의 경우, 분석 물의 정 성적 또는 정량적 판정 착색 화합물 1의 제조에 기초하여 이루어진다. 통상적으로, 컬러 분석은 가시광 스펙트럼에서 관찰 또는 검출 가능한 색상 변화를 초래 분석 종의 존재하에, 컬러 시프트가 발생 시약을 사용한다. 측색 그러한 디옥시리보 산 (DNA), 펩타이드 및 단백질 2-4 복잡한 생물학적 분자 원자, 이온 및 소분자 이르기 타겟의 검출에 사용되었다. 지난 수십 년 동안, 나노 물질, 특히 색상 기반 분석 5-6으로 검출 분석의 분야에 혁명을했다. 항체, 올리고 뉴클레오티드 앱 타머 또는 펩티드 앱 타머 등의 표적 선택적 인식 요소와 나노 물질의 독특한 화학적, 물리적 특성을 결합하여 부활하게되었다 난설계 및 발색 검출법 (7)의 발전 N.
금속 나노 입자는 다수의 비색 분석의 설계에 이용 된 증명 사이즈 – 의존 색 변화 특성을 갖는다. 금 나노 입자 (AuNPs)이 때문에 입자의 분산 솔루션은 일반적으로 소금의 정확한 추가하여, 8 집계 유도하는 특유의 붉은 – 투 – 파랑 색상 변화에 특히 관심이다. 응집 된 (청색) 상태로 분산 된 (적색)의 전환을 제어하는 기능은 이온, 작은 분자, 펩티드, 단백질 발색 센서, 세포 표적 2-4,9 생성하게되었다. 이러한 센서의 대부분은 대상 인식 모티브로 앱 타머를 사용합니다.
압타 머는 10 (12) -10 (15) 다른 시퀀스 10-11의 임의의 풀에서 선택 DNA 또는 리보 핵산 (RNA) 분자이다. 상기 선택 프로세스는 타겟 재를 식별인지의 낮은 나노 몰 정권에 결합 친 화성을 가진 요소, 지수 농축 (SELEX)에 의해 리간드의 체계적인 발전은 가장 일반적으로 알려진 과정 12 ~ 13입니다. 센싱 애플리케이션을위한 올리고 뉴클레오티드를 기반으로 앱 타머의 장점은 합성의 용이성, 제어 화학 수정 및 화학적 안정성 14-15을 포함한다.
비색 분석을 만드는 한 가지 방법은, 인식 요소 나노 결합 AuNP 표면에 DNA-앱 타머 분자의 물리적 흡착을 통해 두 종과 함께 구성된다. 목표 압 타머 바인딩을 통해, 앱 타머은 염의 첨가 유도 적색 대 청색 반응 (19)에 이르는 AuNP 표면 앱 타머와의 상호 작용을 변화시키는 구조 변화가 발생 16-18. AuNPs 이러한 놀라운 특징은 해제하는 데 사용할 수있는 앱 타머 기반 장치에 대한 관찰 비색 반응 메커니즘을 제공한다다른 분석을위한 비색 분석에 서명.
AuNP 표면에 비 – 공유, 물리적으로 흡착 된 DNA 앱 타머를 사용하여 디자인 색상 분석으로 인해 안정성, 제어 실험실 설정 이외의 실패에 대한 성향 및 실제에 사용 가능한 정보의 부족 문제에 약한 센서 플랫폼이라는 오명을 설정. 그러나, 압 타머 AuNP – 기반 비색 분석법 때문에 운전 및 관찰 색 반응의 간략화 관심이었다. 이 연구의 목적은 분석 물로 대표 코카인하여 DNA-AuNP 기반 비색 분석법의 설계, 개발, 조작면의 환원과 관련된 거짓 양성 반응 및 장기간 저장을위한 프로토콜을 제공하는 것이다. 또한, 우리는 때문에이 앱 타머-AuNP 엉덩이에 대한 기존의 접근 방식보다 적은 단계의 결과 사용의 간편성과 용이성에 유리한 것으로이 흡착 된 앱 타머 분석 방법 (그림 1) 제안AYS. 이 분석의 경우, 앱 타머 먼저 장시간 표면에 흡착 할 수 있었다 AuNPs에 첨가 하였다. 이 방법의 추가 장점은 AuNP 표면의 상호 작용에 관련된 비 표적 분석 물 분자에 응답하여 감소되었다. 그러나, 거짓 양성 반응의 감소 분석 민감도의 희생되었다. 따라서 표면 보호 분석 접근성 간의 균형은 적절한 분석 기능을 유지하는 것이 필요하다. 또한, 통해 컬러 분석을 분석의 주요 결함은 색상의 미묘한 차이를 구별하기 위해 노력하고 특히 계측 결과는 종종 주관적이고 분석 – 투 – 애널리스트의 해석에 열려있는 것입니다보다 다른 것을 의미한다. 반대로, 그러한 작품 등에 전력 가용성, 이동성과 실용성으로 실험실 외부 가능한 실험 계측 계를 만드는 문제의 개수가, 컬러 분석 프로토콜을 위해 개발 된 MOR전자 이동성과 일반적으로 색상 기반 분석 해석 20 ~ 21과 관련된 추측의 일부를 제거하기. 이전 방식에 비해, 이러한 노력은 실험실 설정 이외의 응용 프로그램에 대한 자신의 한계에 이러한 분석을 밀어 노력.
Protocol
Representative Results
Discussion
지난 10 년간, 나노 입자 기반 비색 분석법은 표적의 검출을 위해 개발 된 소형 분자, DNA, 단백질, 세포 2-4을 포함한다. 나노 입자와 DNA-앱 타머를 사용하여 분석은 관심을 얻고있다. 일반적으로 이러한 비색 분석법 AuNPs 9-10에 첨가하여 분석 물 분자와 DNA 앱 타머 – 혼합함으로써 수행된다. 그러나 이러한 분석은 제어 실험실 설정 개념 증명 시연과 제한된 선택 컨트롤과 함께 사용되…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was partially funded by the Air Force Office of Scientific Research and the Assistant Secretary of Defense for Research and Engineering (Defense Biometrics and Forensics Office). JES participation was supported by a National Research Council Research Associateship Award at Air Force Research Laboratory.
Materials
| Gold(III) chloride hydrate | Sigma | 254169 | 99.999% purity is important and solutions were made fresh every time |
| Sodium Citrate Dihydrate | Sigma | W302600-1KG-K | We have found the manufacturer greatly affects AuNP assays, and solutions were made fresh every time |
| Synergy | Bio-TEK | HT | Any absorbance spectrometer will work, but a platereader provides multiple sample analysis |
| 4-(2-hydroxyethyl)piperazine-1-ethanesulfonic acid (HEPES) Buffer, 1 M sterilized | Amresco | J848 | Any sterilized brand will work |
| Corning, 250 mL Filter System, 0.22 µm cellulose acetate | Fisher | 430767 | Other membranes have been found to remove the AuNPs |
| UV Spectrophophotometer | Varian | Cary 300 | Any absorbance spectrometer will work |
| Magnesium Chloride Hexahydrate | Fluka | 63068 | ≥98% any brand will work |
| DNA | IDT | Custom | DNA was purified with a desalting column, higher purification techniques can be used |
| Procaine Hydrochloride | ACROS | AC20731-1000 | 99% stocks of 1 mg/mL in methanol were prepared |
| Hydrochloric Acid | Fisher | A144S-500 | 36.5-38.0% w/w other brands will work |
| Cocaine Hydrochloride | Lipomed | COC-156-HC-1LM | We have found the manufacturer greatly affects AuNP assays |
| Nitric Acid | Fisher | A509-SK212 | 65% w/w other brands will work |
| Sodium Chloride Solution, 5 M bioreagent grade | Sigma | S5150-1L | Sterile solutions made from solid will work |
| Diethyl Pyrocarbonate | Sigma | D5758-25 mL | ≥97% any brand will work |
| Ecgoninemethylester Hydrochloride | Lipomed | COC-205-HC-1LM | We obtained the EME control from the same manufacturer as the cocaine target |
| Microcentrifuge Tubes, Axygen Scientific, nonsterile, 1.7mL | VWR | 10011-722 | We have found the manufacturer greatly affects AuNP assays, and the tubes were autoclaved in house |
| nuclease free water | |||
| methanol |
References
- Housecroft, C., Constable, E. . Chemistry: an introduction to organic, inorganic, and physical chemistry. , 349-353 (2006).
- Bunka, D., Stockley, P. Aptamers come of age-at last. Nat. Rev. Microbiol. 4 (8), 588-596 (2006).
- Mayer, G. The chemical biology of aptamers. Angew. Chem. 48 (15), 2672-2689 (2009).
- Medley, C., Smith, J., Tang, Z., Wu, Y., Bamrungsap, S., Tan, W. Gold Nanoparticle-Based Colorimetric Assay for the Direct Detection of Cancerous Cells. Anal. Chem. 80 (4), 1067-1072 (2008).
- Giljohann, D., Seferos, D., Daniel, W., Massich, M., Patel, P., Mirkin, C. Gold nanoparticles for biology and medicine. Angew. Chem. Int. Ed. 49 (19), 3280-3294 (2010).
- Iliuk, A., Hu, L., Tao, W. Aptamer in bioanalytical applications. Anal. Chem. 83 (12), 4440-4452 (2011).
- Smith, J., Griffin, D., Leny, J., Hagen, J., Chávez, J., Kelley-Loughnane, N. Colorimetric detection with aptamer-gold nanoparticle conjugates coupled to an android-based color analysis application for use in the field. Talanta. 121, 247-255 (2014).
- Alivasatos, A., et al. Organization of nanocrustal molecules using DNA. Nature. 382, 609-611 (1996).
- Wang, L., Liu, X., Song, S., Fan, C. Unmodified gold nanoparticles as a colorimetric probe for potassium DNA aptamers. Chem. Commun. (36), 3780-3782 (2006).
- Liu, J., Lu, Y. Fast colorimetric sensing of adenosine and cocaine based on a general sensor design involving aptamers and nanoparticles. Angew. Chem. 118 (1), 96-100 (2006).
- Pavlov, V., Xiao, Y., Shlyahovsky, B., Willner, I. Aptamer-functionalized Au nanoparticles for the amplified optical detection of thrombin. J. Am. Chem. Soc. 126 (38), 11768-11769 (2004).
- Mayer, G. The chemical biology of aptamers. Angew. Chem. Int. Ed. 48 (15), 2672-2689 (2009).
- Hermann, T., Patel, D. Adaptive recognition by nucleic acid aptamers. Science. 287 (5454), 820-825 (2000).
- Lee, J., Stovall, G., Ellington, A. Aptamer therapeutics advance. Curr. Opin. Chem. Biol. 10 (3), 282-289 (2006).
- Song, S., Wang, L., Li, J., Zhao, J., Fan, C. Aptamer-based biosensors. TrAC. 27 (2), 108-117 (2008).
- Wei, H., Li, B., Wang, E., Dong, S. Simple and sensitive aptamer-based colorimetric sensing of protein using unmodified gold nanoparticles. Chem. Commun. (36), 3735-3737 (2007).
- Zheng, Y., Wang, Y., Yang, X. Aptamer-based colorimetric biosensing of dopamine using unmodified gold nanoparticles. Sensors and Actuators B. 156 (1), 95-99 (2011).
- Chávez, J., MacCuspie, R., Stone, M., Kelley-Loughnane, N. Colorimetric detection with aptamer-gold nanoparticle conjugates: effect of aptamer length on response. J. Nanopart. Res. 14 (10), 1-11 (2012).
- Neves, M., Reinstein, O., Johnson, P. Defining a stem length-dependent binding mechanism for the cocaine-binding aptamer. A combined NMR and calorimetry study. 생화학. 49 (39), 8478-8487 (2010).
- Li, H., Rothberg, L. Label-Free Colorimetric Detection of Specific Sequences in Genomic DNA Amplified by the Polymerase Chain Reaction. J. Am. Chem. Soc. 126 (35), 10958-10961 (2004).
- Li, H., Rothberg, L. Colorimetric detection of DNA sequences based on electrostatic interactions with unmodified gold nanoparticles. Proc. Natl. Acad. Sci. 101 (39), 14036-14039 (2004).
- Smith, J., Medley, C., Tang, Z., Shangguan, D., Lofton, C., Tan, W. Aptamer-Conjugated Nanoparticle for the Collection and Detection of Multiple Cancer Cells. Anal. Chem. 79 (8), 3075-3082 (2007).
- Martin, J., Chávez, J., Chushak, Y., Chapleau, R., Hagen, J., Kelley-Loughnane, N. Tunable stringency aptamer selection and gold nanoparticle assay for detection of cortisol. Anal. Bioanal. Chem. 406 (19), 4637-4647 (2014).
- Shen, L., Hagen, J., Papautsky, I. Point-of-care colorimetric detection with a smartphone. Lab on a Chip. 12 (21), 4240-4243 (2012).
- Choodum, A., Kanatharana, P., Wongniramaikul, W., NicDaeid, N. Rapid quantitative colourimetric tests for trinitrotoluene (TNT) in soil. Forensic. Sci. Int. 222 (1), 340-345 (2012).
