Microtoroid Optik Rezonatörler Kullanarak Etiket serbest Tek Molekül Algılama
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
Aşağı tek bir molekül sınırına moleküllerinin küçük konsantrasyonlarını algılama gibi Hastalığın erken teşhisi ve moleküllerin davranışına temel çalışmaları gibi alanlarda bir etkiye sahiptir. Tek molekül algılama teknikleri yaygın, ancak etiket maliyeti ve karmaşıklığı artırmak, her zaman mevcut değildir ve olaylar çalışılan perturb böyle floresan etiket veya kuantum noktaları gibi etiketler kullanır. Optik rezonatörler ve etiket kullanılmaksızın tek moleküllerin tespit için umut verici bir araç olarak ortaya çıkmıştır. Şu anda çözelti içinde olmayan plasmonically geliştirilmiş çıplak optik rezonatör sistemi tarafından tespit edilen en küçük parçacık 25 nm polistiren küre 1'dir. Biz Optik Whispering Evanescent Resonator sulu çözelti 2 etiket içermeyen tek bir molekül algılama bu sınırı aşmak ve elde edebilirsiniz (ÇİÇEK) Kilitleme Frekans olarak bilinen bir teknik geliştirdiler. Sinyal gücü partikül hacmi ile ölçekler gibi, bizim çalışma> 100x improveme temsilnt sanatın mevcut durumu üzerinde gürültü oranı (SNR) sinyalde. İşte ÇİÇEK arkasında prosedürleri alanındaki kullanımını artırmak amacıyla sunulmuştur.
Introduction
Tek moleküllü saptama deneyleri Hastalığın erken teşhisi için biyosensörler kullanılan analit miktarının azaltılması için faydalıdır, ve moleküllerin 3 temel özelliklerini incelemek için. Bu tür deneyler, tipik olarak etiketler, bununla birlikte, etiketler her olay üzerinde çalışılan yapabilirliğini bozmakta ve bu, maliyet artışı, belirli bir protein için elde etmek mümkün değildir, ve özellikle de bünyesinde deneyleri veya nokta-of, gerçek süre, rahatsız edici olabilir kullanılarak gerçekleştirilir bakım teşhis.
Etiket içermeyen biosensörleme şu anki altın standart Ancak, ticari yüzey plazmon rezonans sistemi tipik haliyle nM mertebesinde tespit tipik bir alt sınırı, yüzey plazmon rezonans 4'tür. Son zamanlarda, optik rezonatörler etiket içermeyen tek bir molekül biodetection 5 için umut verici bir teknoloji olarak ortaya çıkmıştır. Uzun vadeli (ns) dayalı optik rezonatörler çalışma ışığı 6,7 hapsi. Işık evanescently olduğunutipik bir fiber optik aracılığıyla bu cihazların içine birleştiğinde. Fiber geçiyor ışığın dalga boyu rezonatör rezonans dalga boyu eşleştiği zaman, verimli rezonatör çiftler yanar. Bu birleştirilmiş ışık tamamen dahili rezonatörün çevresinin yakınında genliği azalan bir alan üreten rezonatörün en boşluk içinde yansıtır. Parçacıklar rezonatör, parçacığın 8 hacmi ile orantılı olarak rezonatör değişiklikleri rezonans dalgaboyu kaybolan alan ve bağlayıcılığı girerken.
Algılama yeteneği açısından mikrosfer rezonatörler daha önce tek bir influenza A virüs partiküllerini (100 nm), 9,10 tespit etmek için kullanılmıştır. Son zamanlarda, plasmonically geliştirilmiş mikroküre optik rezonatörler Ancak bu yaklaşım de yüzde 0.3 um ila 2 tane çekim alanı sınırlar molekülleri 11 ve 8-mer oligonükleotitlerin 12 albumin, tek sığır serumu tespit etmek için kullanılmaktadıryardımcısı. Büyük çekim alanı biyosensörler parçacık algılama şansını maksimize etmek için idealdir. Büyük (> 100 mikron 2) yakalama alanları ile Güncel çözüm tabanlı etiket içermeyen biyoalgı teknolojileri polistiren tanecikleri ≥ 25 nm tespit sınırlı kalmıştır.
Bu çözelti içinde tek moleküllerin zamana bağımlı algılama kapasitesine sahip optik Whispering Evanescent Resonator (çiçek) 13 (Şekil 1) kilitleme Frekans olarak bilinen optik rezonatör teknolojisine dayalı bir etiket içermeyen biyo-algılayıcı sistemi geliştirmiştir. ÇİÇEK frekans kilitleme geri besleme kontrolü, dengeli algılama ve tek bir protein molekülleri aşağı küçük partikülleri tespit etmek için hesaplamalı filtreleme ile birlikte microtoroid optik rezonatörlerin uzun foton ömrünü kullanır. Frekans kilitleme kullanımı süpürüp veya lazer dalga boyu üzerinden tarama gerek kalmadan, parçacıklar bağlamak gibi sistem daima microtoroid kayması rezonans izlemenize olanak sağlarBüyük aralığındadır. Çiçeğin ilkeleri plasmonik geliştirilmesi de dahil olmak üzere diğer tekniklerin algılama yeteneklerini geliştirmek için kullanılabilir. Aşağıda, ÇİÇEK gerçekleştirmek için prosedürler açıklanmaktadır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bir parçacık bağlanan olarak, toroid artar rezonans dalgaboyu (λ). Bir parçacık keser ise, rezonans dalga boyu buna (a step-down olayı) azalır. Parçacık çapı (d), her dalga boyunda adım amplitüdü histogramları yoluyla belirlenebilir. Her dalga boyu basamağın yüksekliği bağlı parçacık büyüklüğü varyasyonları nedeniyle partikül bağlayan microtoroid üzerinde konumu nedeniyle değişir. Parçacıklar elektrik alan (E 0, max) maksimum olduğu mic…
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).
