استخدام الإرسال الضوئي غير عادية لقياس المؤشرات الحيوية القلب في مصل الدم البشري

وكانت أجهزة الاستشعار الكيميائية استناداً إلى صفائف نانوهولي موضوعا للعديد من التحقيقات منذ التقرير الأول بشأن انتقال البصرية غير عادية (محكمة تكافؤ الفرص) نشرته ايبسن et al. في عام 1998¹. عندما يمس الضوء على صفائف الدورية للهياكل نانوهولي الأبعاد الفرعية للطول الموجي، يحدث انتقال المحسن عند أطوال موجية محددة. يحدث هذا عند الحادث الضوء الأزواج مع موجه بلوخ بولاريتون السطحية (وزن الجسم-SPP) و/أو المترجمة البلازمونات السطحية (LSP)².

مبدأ المادية الكامنة وراء استغلال عندما بيوسينسينج مع مثل هذه الصفائف الدوري بسيط. التغييرات امتزاز الجزيئات على أو بالقرب من الواجهة من المعدن الثابت من وسيلة اتصال مع المعدن، يتحول بدوره موقع نطاقات الإرسال في الطيف. ويمكن تعديل الطيف نفسها بنانو-هندسة الشكل والحجم، وفصل المسافة^3،،من⁴⁵. حسب التصميم، لديها أجهزة استشعار تستند محكمة تكافؤ الفرص نطاقات مميزة في تلك الأطياف التي تيسر القيام بمهام محددة^6،،من⁷⁸ خلال التحقيق في أحداث الربط الجزيئية. هذه ميزة حاسمة على المنصات مأكل مثل الطحين السطحية المتاحة تجارياً الرنين (موارد البرنامج الخاصة).

أجهزة الاستشعار عادة باستخدام محكمة تكافؤ الفرص تشمل مصدر ضوء بصريا الانحياز أن شعاع وتحديدالمنطقه حادث على سطح الاستشعار. تقنيات لتوليد الأسطح نانوهولي الكبيرة، مثل قوالب البوليمر المشترك والتدخل والطباعة الحجرية نانوسفيري، يكون للفقراء إمكانية تكرار نتائج⁹. بسبب هذه القيود في اختﻻق دقة السطوح الكبيرة التي تظهر ظاهرة محكمة تكافؤ الفرص، مجهر ضوئي كان المطلوب بشكل صحيح وضع مصدر الضوء وكاشف. واستخدمت لتبسيط تقنية، الطباعة الحجرية نانويمبرينتينج عالية الجودة (لا شيء)¹⁰ . وهذا مكن إنتاج أجهزة الاستشعار كبيرة المساحات السطحية¹¹ (الحجم ملم)، إزالة الحاجة مجهر للبحث عن سطح الاستشعار على شريحة. بدلاً من ذلك، هذا الاستشعار يمكن ربطه بسهولة مع كابل الألياف بصرية قياسية.

منذ قمم الإرسال لهذا الصفيف نانوهولي ترد في مرئية إلى المنطقة القريبة من الأشعة تحت الحمراء (الجرد)، أنها مناسبة تماما لاستشعار ربط أحداث للجزيئات الحيوية في بيئة مائية. تمت محاكاة السلوك المتوقع بصري من الصفيف نانوهولي. ثم تم التحقق من النتيجة من خلال دراسات مع السوائل القياسية الانكسار الفهارس (RI). هذا الصفيف ثم استخدمت لقياس تركيز تروبونين القلب الأول (كتني) في الخلفية المعقدة لمصل الدم البشري. كتني هو معيار الذهب السريرية لتشخيص احتشاء عضلة القلب الحاد.

استخدام أجهزة الاستشعار هذه، من الممكن لكشف وتحديد كتني في مصل الدم البشري في حد من الكشف عن (اللد) 0.55 نانوغرام/ملليلتر، التي ذات الصلة سريرياً. الكشف أسرع بكثير من التكنولوجيا الأكثر استخداماً في هذا المجال، المرتبط بالانزيم المرتبط بالانزيم (ELISA). وعلاوة على ذلك، على سطح الاستشعار يمكن بسهولة أن إعادة إنشاء وإعادة استخدامها لذلك. ومن ثم، يوضح هذا العمل وعد نانوهولي صفائف كتكنولوجيا (POC) نقطة من رعاية قابلة للاستمرار بيوسينسينج داخل بيوفلويدس المعقدة.

1-تصنيع أجهزة الاستشعار والحصول على البيانات

1. إعداد العفن النيكل
   1. مقاومة معطف طبقة سميكة نانومتر 220 من شعاع الإلكترون السلبي على رقاقة ميكرومتر سميكة 600 4 في سيليكون. كتابة الصفيف نانوهولي مصممة على هذه الرقاقة باستخدام نظام الطباعة حجرية شعاع إلكترون.
      1. لتعجيل ه-شعاع كتابة، كتابة الأنماط مع دوتماب منخفضة (ن) من 20 ك لكل حجم الحقل 300 ميكرون (A) (أي، هناك هي 0.4 بیلیون النقاط المعينة في كل مجال² 300 ميكرون، وكل نقطة أما ستتعرض بطريق ه-الشعاع أم لا ، استناداً إلى تصميم نمط). تعيين جرعة التعرض مقاومة الشعاع الإلكتروني للمقاومة إلى 110 سم µC² والكتابة الحالية (ط) 800 السلطة الفلسطينية.
         ملاحظة: كتابة الشعاع الإلكتروني، أن التعرض لجرعة (د) يسيطر وقت التعرض لكل نقطة (تي_دوت)، تحسب ب . لجرعة التعرض في µC 110 سم²، هو الوقت مسكن ه-شعاع على كل نقطة تتعرض المايكروثانيه 0.5¹². منذ الصفيف يلتقط مساحتها 1.8 مم²، وهناك ما مجموعة 36 بقع من 300 ميكرون² حقل المناطق مخيط معا إلى نموذج واحد نانوهولي كبيرة، والذهب الصفيف.
   2. وضع المقاومة من غمر رقاقة السيليكون 4 بوصة في الحل المطور لمدة 10 ق والسماح ليفر تجف في الهواء.
   3. إيداع طبقة بذور للمعادن، مثل النيكل أو النحاس أو الألومنيوم، على رقاقة السيليكون.
   4. لبالكهرباء يفر في نظام طلاء في حمام sulfamate نيكل. إجراء الطلي في خطوتين. في الخطوة الأولى، دائم 95 دقيقة، تستخدم بكثافة التيار من 0.7 ألف مارك ألماني²؛ هذا يملأ تماما في نانوباتيرنس مع النيكل. في الخطوة الثانية، دائم 125 دقيقة، استخدم 12 ألف مارك ألماني² لتصل إلى 300 ميكرون كسمك العفن النيكل النهائي (20 نانومتر). التأكد من أن قيمة الأس الهيدروجيني في 3.5-3.8 وأن درجة الحرارة في 52-54 درجة مئوية.
   5. فصل العفن النيكل من الركازة السيليكون عن طريق تطبيق القوة الميكانيكية لطيف. نقع العفن النيكل في حوالي 100 مل كاشف إزالة الواقي الضوئي إيجابية بين عشية وضحاها ليغسل البقايا من مقاومة الشعاع الإلكتروني.
   6. تغذية العفن النيكل في فرن والجافة في 100 درجة مئوية حاء 3 تنظيفه في بلازما النقش النظام مع س₂ الغاز في 10 sccm و 100 واط لمدة 3 دقائق.
2. تصنيع نانوستروكتوري الذهب
   1. معطف 150 ميليلتر من heptadecafluoro-1,1,2,2-تيتراهيدروديسيل تريتشلوروسيلاني (فدتس) على العفن النيكل في أحادي الطبقة (SAM) طلاء آلة التجميع الذاتي عند 80 درجة مئوية.
      ملاحظة: هذا سوف تشكل طبقة لاصقة المضادة، مما سيمكن فصل القالب عن مقاوم الضوء ("ديمولدينج") وبعد الانتهاء من هذه الخطوة نانويمبرينتينج. وينبغي أن يكون الوقت فابوريزينج 180 s، ووقت رد الفعل ينبغي أن يكون 900 ق.
   2. بصمة نانوباتيرنس في 4-في مقاومة الزجاج ويفر التي قد تم مغطاة بطبقة سميكة nm 300 من النيل صور الشفاء استخدام نانو-طابعة عند ضغط 10 بار ودرجة حرارة 40 درجة مئوية لمدة 10 دقائق.
   3. نقل العفن ومقاوم الضوء ويفر الزجاج على ضوء الأشعة فوق البنفسجية علاج النظام وفوتوكوري مع 75 ميغاواط سم^-2 من التعرض للأشعة فوق البنفسجية لمدة 30 ثانية.
      ملاحظة: إذا اتبعت جميع الخطوات بشكل صحيح، العفن النيكل ينبغي بسهولة أن ديمولديد من مقاوم الضوء.
   4. في أيون رد الفعل النقش النظام (رية)، أداء أحفر فارغة من مقاوم الضوء على الركيزة الزجاج، مع تدفق غاز س₂ من 10 sccm، في 50 ث ل 2 s لفضح الزجاج على المجالات ذات مسافة بادئة.
   5. إيداع 5 طبقة نانومتر سميكة من الكروم (Cr) لالتصاق المعادن وطبقة 100 نانومتر من الذهب (الاتحاد الأفريقي) لاستشعار plasmonic على رقاقة الزجاج في جهاز ترسب شعاع إلكترون. استخدم معدل ترسيب 1 s¹ للسجل التجاري و 2 s¹ للاتحاد الأفريقي.
   6. إجراء زنتها مقاوم الضوء بالبلازما₂ O النقش لمدة 3 دقيقة تليها خطوة صوتنه 15-s في الأسيتون.
   7. الزهر العينة في الرقائق 5 مم × 5 مم. وسوف تشغل الصفيف نانوهولي وسط 2 × 2 مم للرقاقة.
3. الحصول على البيانات
   1. إعداد الجهاز لإجراء القياسات الضوئية هو وتحديدالمنطقه شعاع الضوء الأبيض تخرج من خلال نهاية الألياف الضوئية الإرسال وهو حادث على سطح جهاز الاستشعار (مجموعة نانوهولي) على 90 درجة.
      ملاحظة: ينتقل الضوء من خلال الصفيف نانوهولي كله.
   2. جمع الإشارات المرسلة مع الألياف الضوئية المتلقي وتسجيله مع مطياف الأشعة فوق البنفسجية-مرئية العاملة في نطاق 300 إلى 1000 نانومتر.
   3. تعيين وقت الامتلاك لكل إطار إلى إطارات السيدة 100 متوسط 20 للحصول على الطيف النهائية لخفض الضوضاء في القياسات.
   4. استخدم برنامج رسم لتحليل البيانات استناداً إلى قمم الإرسال التي سبق تحديدها (باستخدام طريقة لورنتز).

2-استشعار جل اختبار حساسية

1. إيداع السائل ري القياسية في الخلية السائلة، مع اختلاف ري من 1.31 إلى 1.39.
2. تزج رقاقة الاستشعار في السائل ري القياسية ومواءمته مع الشعاع الضوء الأبيض. الحصول على نطاق الإرسال.
3. تنظيف رقاقة الاستشعار بعد كل قياس مع كاشف تنظيف سطحها والجافة مع غاز النيتروجين.

3-استشعار تعديل السطح

1. قبل إدخال أي تعديلات كيميائية، تنظيف رقائق الاستشعار بالغمر متسلسلة في الكحول والاسيتون، والمياه. الجاف في درجة حرارة الغرفة في تيار غاز النيتروجين الجاف.
2. احتضان رقائق الاستشعار في حل اثانوليك من 0.4 مم 1.6 ملم و 10-كاربوكسي-1-ديكانيثيول 1-أوكتانيثيول ح 12 في درجة حرارة الغرفة.
   ملاحظة: هذا سوف يشكل أمين رد التجميع الذاتي أحادي الطبقة (SAM).
3. استخدام الإيثانول أشطف بعناية وجاف في درجة حرارة الغرفة.
4. جعل خليط من عيار 75 ملم سالفو-ن-هيدروكسيسوكسينيميدي (سالفو--دائرة الصحة الوطنية) و 15 ملم 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) كاربودييميدي (EDC). تزج الرقائق في هذا الخليط لمدة 15 دقيقة.
   ملاحظة: هذا سيتم تنشيط مجموعة كاربوكسيليك SAM.
5. بقعة 50 ميليلتر من 200 ميكروغرام/مل جسم تروبونين المضادة الحل في المخزن مؤقت خلات الأس الهيدروجيني 4.5 على سطح جهاز الاستشعار، واحتضان لمدة 30 دقيقة.
6. قم بإلغاء تنشيط استرات الممتص بغمر رقاقة الاستشعار في حل ايثانولامين هيدروكلورايد 1 م لمدة 15 دقيقة.
7. شطف الرقاقة مع المياه والجافة في تيار غاز النيتروجين الجاف في درجة حرارة الغرفة.

4-كتني الإنزيم

1. حظر أي ربط غير محددة باكتشاف ميليلتر 100 1% ألبومين المصل البقري (BSA) الحل إلى السطح.

5-سطح مأكل مثل الطحين قياس الرنين (موارد البرنامج الخاصة)

1. تشغيل متعدد رقاقة الاستشعار موارد البرنامج الخاصة على نظام موارد البرنامج الخاصة مع المخزن المؤقت لبرنامج تلفزيوني-T.
   ملاحظة: تكوين المخزن المؤقت لبرنامج تلفزيوني-T هو 20 ملم نا-الفوسفات و 150 مم كلوريد الصوديوم 0.05% 20 توين. هو الرقم الهيدروجيني 7.4.
2. استخدام معيار كتني والأجسام المضادة، كما هو موضح في الخطوة 4.
3. تنشيط 3 من أصل 6 قنوات متاحة مع خليط من الصادرات (0.2 M) وسولفو--دائرة الصحة الوطنية (0.05 متر مكعب) لأدنى 5 القيام حقن 5 دقيقة من 50 ميكروغرام/مل جسم 560 وحقنه 5-دقيقة لحل ايثانولامين هيدروكلورايد 1 متر.
4. استدارة رقاقة الاستشعار 90°، وإدخال معايير كتني بتركيزات مختلفة (75, 30 و 7.5 و 2.5 نانوغرام/مل).
5. مراقبة التصريف للجسم في بقع من التفاعل على الرقاقة في الوقت الحقيقي من خلال قراءات موارد البرنامج الخاصة.
6. تجديد الرقاقة عن طريق حقن 50 مم جليكاين-HCl (درجة الحموضة 2) لمدة 1 دقيقة.

ويبين الشكل 1Aالإعداد الضوئية لأخذ القياسات. ويرد في الشكل 1Bصورة الصفيف الفعلي نانوهولي. واستخدمت برامج المحاكاة COMSOL لفهم فيزياء يقود عملية الاستشعار، لمحاكاة توزيع الحقل plasmonic في بيئة مائية. ثم تتصل بالنتائج من المحاكاة القياس الفعلي. دراسة نشرت سابقا يحتوي على تفاصيل عن الافتراضات والمعلمات المستخدمة في ال11،محاكاة13. الأبعاد المادية المستخدمة لمحاكاة ميدان plasmonic نانوهولي الصفيف هو كما يلي: p = 400 نانومتر، د = 150 نانومتر، و T = 100 نانومتر. الاستيعاب وآثار نثر تؤخذ أيضا في حساب14 عند حساب نطاق الإرسال. تتم مقارنة الطيف محاكاة الطيف المقاسة تجريبيا في الشكل 1. أنقل المحاكاة والأطياف قياس وجود أربعة نطاقات من 450 إلى 850 نانومتر. الفرقة في 495 نانومتر يناظر الانتقال إينتيرباند للذهب. ثلاثة نطاقات اللاحقة، من الآن فصاعدا تسمى عصابات من الأول إلى الثالث في زيادة ترتيب الطول الموجي، وتقع في 560 نانومتر، 645 نانومتر، و 712 نيوتن متر، على التوالي. ولوحظت الفرق من الأول إلى الثالث بمحاذاة مقبولة لعصابات المقاسة تجريبيا، يقع في 558 نانومتر، 638 نانومتر، و 724 شمال البحر الأبيض المتوسط. نانوهوليس ملفقة الشكل الدائري تقريبا، هذه العصابات لا ينبغي أن يكون حساسة إلى استقطاب ضوء الحادث. بالإضافة إلى ذلك، يمكن محاكاة COMSOL التصور مباشرة قرب حقل توزيع هذه العصابات أنها سوف تحدث في خلية وحدة من هيكل الدوري (الشكل 1). وحدة على شريط اللون هو توزيع الحقل البصري (V/m) المعرب عنها في نطاق سجل. وكانت كثافة أعلى ولاحظ حوالي 4.7 (50,119 V/m). بالمقارنة مع شدة الإصابة المستخدمة في المحاكاة (4,340 V/m)، يمثل هذا الحجم تعزيز حقل 11.5-fold. الحقول الكهرومغناطيسية للفرق الأولى والثالثة كانت المترجمة على سطح الركيزة الزجاج. على النقيض من ذلك، الفرقة الثانية كان معظمها مترجمة عند الحافة العليا نانوهولي واختير للكشف عن بيواناليتي. ويوضح الشكل 1E الأطياف انتقال الصفيف نانوهولي في سوائل فهارس الانكسار المعروفة، التي تختلف من 1.31 إلى 1.39. ولوحظت ثلاثة نطاقات الإرسال، المقابلة للعصابات الأول، والثاني، والثالث، في نطاق الطيف 400-900 نانومتر. ولوحظ تحول الأحمر مع تغيير في ري. حجم التحول يتبع الفرقة التسلسل الثاني > باند أنا > الفرقة الثالثة. الشكل 1F توحيد الأحمر لاحظ تحولات العصابات الأول والثاني والثالث. حساب حساسية الأكبر للفرقة كان 322 شمال البحر الأبيض المتوسط/RIU والفرقة الثانية كان 345 نيوتن متر/RIU للفرقة الثانية كان 202 نيوتن متر/RIU.

ويتضمن الشكل 2 ألف التخطيطي ظاهرة الاستشعار في العمل. الشكل 2B يظهر التغيير في أطياف الإرسال بعد ربط الجزيئات تروبونين القلب على سطح رقاقة فونكتيوناليزيد. في تركيزات منخفضة، هناك تحول خطي في الفرقة مع مستوى تروبونين. يمكن تركيبها التحول في موقف الفرقة أيضا الايسوثرم ملزم بقيمة2 R 0.995. عند مراقبة أوثق، يبدو أن 30 نانوغرام/مليلتر تركيز الذي يشير الايسوثرم بداية التشبع (الشكل 2).

يبين الشكل 3 ألف سينسورجرام من تفاعل المصل مع سطح رقاقة رقاقة الأخضر تم التعديل في إعداد XPR36. ويرد القبض على كتني بالارتفاع في الإشارة. وبعد ذلك، يمكن ملاحظة الانفصال كتني في متوسط ببست (1 x PBS، توين 0.05% 20) كما خفضت الانخفاضات إشارة من 120-660 س. Injecting جليكاين (حل التجديد) لمدة 1 دقيقة الإشارة إلى 0، مما يشير إلى تجديد سطح الاستشعار عن من خلال فك الارتباط الكامل من كتني. ويبين سينسورجرام لرابطة كتني على سطح رقاقة المجددة اللاحقة اقحم من الشكل 3 ألف. واستخدمت نفس البروتوكول (أي، أغرق في حل جليكاين لمدة 1 دقيقة) لتجديد سطح مصفوفة نانوهولي. ويبين الشكل 3B أنه موقف الفرقة 2 ينتقل مرة أخرى إلى موضعه الأصلي، مما يؤكد نجاح هذه الخطوة التجديد.

الشكل 1 : وصف لمجموعة نانوهولي. (أ) المبسطة التخطيطي للإعداد التجريبية. (ب) صورة المسح الإلكتروني المجهري في الصفيف نانوهولي. (ج) المقارنة بين الطيف المحاكاة وطيف انتقال المقاسة تجريبيا في بيئة مائية. (د) قرب ميدان التوزيع كمحاكاة في COMSOL للفرق الأول والثالث، ينظر في طريقة عرض المقطع العرضي. الأحمر يمثل أقوى القريبة من حقل التوزيع. وحدة سيظهر في شريط الألوان | ه |، توزيع الحقل البصري، المتخذة في نطاق السجل. (ﻫ) تجريبيا قياس انتقال الأطياف المصفوفة نانوهولي في بيئات مع السوائل الانكسار القياسي (1.31 إلى 1.39). (و) الجملة حساسيات العصابات انتقال ثلاثة (الأول-الثالث) إلى أحداث تغييرات في ري تقاس في مرئية لمجموعة الجرد. مربع أسود: الفرقة الأولى ودائرة حمراء: الفرقة الثانية، مثلث أزرق: الفرقة الثالثة. تم تعديل الرقم من دينغ et al. 14 تحت "نسخة من" ترخيص. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

الشكل 2 : نانوهولي الصفيف المستخدمة بيوسينسور. (أ) التخطيطي الصفيف نانوهولي تستخدم بيوسينسور للكشف عن كتني. (ب) التغيير في الانتقال الطيف من بيوسينسور عند التفاعل مع كتني البشرية بتركيز 30 نانوغرام/مل في خلفية من المصل. الأزرق: قبل التفاعل، أحمر: بعد التفاعل. دائرة منقط يشير إلى الفرقة التي تم تعقبها. (ج) التحول في الطول الموجي للفرقة الثانية بتركيزات مختلفة من تروبونين (2.5 نانوغرام/مل و 7.5 نانوغرام/مليلتر، 30 نانوغرام/مليلتر و 75 نانوغرام/مليلتر).إظهار أشرطة الخطأ الانحراف المعياري بين n = 3 الرقائق المستخدمة لكل قياس. تم تعديل الرقم من دينغ et al. 14 تحت "نسخة من" ترخيص. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

الشكل 3 : تجديد سطح الاستشعار- (أ) موارد البرنامج الخاصة سينسورجرام من XPR36 عرض حقن أكثر (كتني) متبوعاً بحقن جليكاين لتجديد سطح الاستشعار. يبين اقحم القياسات اللاحقة الكشف عن تركيزات مختلفة من كتني على خلفية المصل. شريط أحمر يمثل القيمة الأولى، بينما يظهر شريط أسود بقياس بعد التجديد للسطح مع البروتوكول، المذكورة في النص. (ب) لاحظ التحول في أطوال موجية الفرقة بعد التجديد لشريحة بيوسينسور نانوهولي. Σ: الانحراف المعياري للتحولات في الطول الموجي لموقف الفرقة. تم تعديل الرقم من دينغ et al. 14 تحت "نسخة من" ترخيص. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

المؤلفين قد لا تضارب المصالح المالية.