optical-detection-of-e-coli-bacteria-by-mesoporous-silicon-biosensors

Optical Detection of <em>E. coli</em> Bacteria by Mesoporous Silicon Biosensors

A label-free optical biosensor based on a nanostructured porous Si is designed for rapid capture and detection of Escherichia coli K12 bacteria, as a ...

Technion - Israel Institute of Technology

An optical label-free biosensing platform for bacteria detection ( Escherichia coli K12 as a model system) based on nanostructured oxidized porous silicon (PSiO(2)) is introduced. The biosensor is designed to directly capture the target bacteria cells on its surface with no prior sample processing (such as cell lysis). The optical reflectivity spectrum of the PSiO(2) nanostructure displays Fabry-Pérot fringes characteristic of thin-film interference, enabling direct, real-time observation of bacteria attachment within minutes. The PSiO(2) optical nanostructure is synthesized and used as the optical transducer element. The porous surface is conjugated with specific monoclonal antibodies (immunoglobulin G's) to provide the active component of the biosensor. The immobilization of the antibodies onto the biosensor system is confirmed by attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy, fluorescent labeling experiments, and refractive interferometric Fourier transform spectroscopy. We show that the immobilized antibodies maintain their immunoactivity and specificity when attached to the sensor surface. Exposure of these nanostructures to the target bacteria results in "direct cell capture" onto the biosensor surface. These specific binding events induce predictable changes in the thin-film optical interference spectrum of the biosensor. Our preliminary studies demonstrate the applicability of these biosensors for the detection of low bacterial concentrations. The current detection limit of E. coli K12 bacteria is 10(4) cells/mL within several minutes.

Engineering nanostructured porous SiO2 surfaces for bacteria detection via "direct cell capture".

Optical label-free porous Si-based biosensors for rapid bacteria detection are introduced. The biosensors are designed to directly capture the target bacteria cells onto their surface with no prior sample processing (such as cell lysis). Two types of nanostructured optical transducers based on oxidized porous Si (PSiO(2)) Fabry-Pérot thin films are synthesized and used to construct the biosensors. In the first system, we graft specific monoclonal antibodies (immunoglobulin G's) onto a neat electrochemically-machined PSiO(2) surface, based on well-established silanization chemistry. The second biosensor class consists of a PSiO(2)/hydrogel hybrid. The hydrogel, polyacrylamide, is synthesized in situ within the nanostructured PSiO(2) host and conjugated with specific monoclonal antibodies to provide the active component of the biosensor. Exposure of these modified-surfaces to the target bacteria results in "direct-cell-capture" onto the biosensor surface. These specific binding events induce predictable changes in the thin-film optical interference spectrum of the biosensor. Our studies demonstrate the applicability of these biosensors for the detection of low bacterial concentrations, in the range of 10(3)-10(5) cell/ml, within minutes. The sensing performance of the two different platforms, in terms of their stability in aqueous media and sensitivity, are compared and discussed. This preliminary study suggests that biosensors based on PSiO(2)/hydrogel hybrid outperform the neat PSiO(2) system.

Advancing nanostructured porous si-based optical transducers for label free bacteria detection.

&#x591A;&#x529F;&#x80FD;&#x591A;&#x5B54;&#x7845;&#x7EB3;&#x7C73;&#x7ED3;&#x6784;&#x88AB;&#x4E3A;&#x4E86;&#x5149;&#x5B66;&#x76D1;&#x6D4B;&#x7684;&#x8FA3;&#x6839;&#x8FC7;&#x6C27;&#x5316;&#x7269;&#x9176;&#x7684;&#x6D3B;&#x6027;&#x3002;&#x9996;&#x5148;&#xFF0C;&#x7EB3;&#x7C73;&#x6C27;&#x5316;&#x7684; PSi &#x5149;&#x5B66;&#x7ED3;&#x6784;&#xFF0C;&#x6CD5;&#x5E03;&#x91CC;-P&eacute;rot &#x8584;&#x819C;&#x5408;&#x6210;&#xFF0C;&#x5E76;&#x7528;&#x4F5C;&#x5149;&#x5B66;&#x4F20;&#x611F;&#x5668;&#x5143;&#x7D20;&#x3002;&#x901A;&#x8FC7; DNA &#x5B9A;&#x5411;&#x56FA;&#x5B9A;&#x5316;&#x6267;&#x884C;&#x5230;&#x7EB3;&#x7C73;&#x7ED3;&#x6784;&#x9176;&#x7684;&#x56FA;&#x5B9A;&#x5316;&#x3002;&#x521D;&#x6B65;&#x7814;&#x7A76;&#x8868;&#x660E;&#x9AD8;&#x9176;&#x6D3B;&#x6027;&#x6C34;&#x5E73;&#x7684;&#x56FA;&#x5B9A;&#x5316;&#x8FA3;&#x6839;&#x8FC7;&#x6C27;&#x5316;&#x7269;&#x9176;&#xFF0C;&#x540C;&#x65F6;&#x4FDD;&#x6301;&#x5176;&#x7279;&#x5F02;&#x6027;&#x3002;&#x591A;&#x5B54;&#x7EB3;&#x7C73;&#x7ED3;&#x6784;&#x5185;&#x56FA;&#x5B9A;&#x5316;&#x9176;&#x7684;&#x50AC;&#x5316;&#x6D3B;&#x6027;&#x662F;&#x901A;&#x8FC7;&#x53CD;&#x5C04;&#x5E72;&#x6D89;&#x7684;&#x5085;&#x91CC;&#x53F6;&#x53D8;&#x6362;&#x5149;&#x8C31;&#x5B9E;&#x65F6;&#x76D1;&#x63A7;&#x3002;&#x6211;&#x4EEC;&#x663E;&#x793A;&#x6211;&#x4EEC;&#x53EF;&#x4EE5;&#x8F7B;&#x677E;&#x5730;&#x91CD;&#x65B0;&#x751F;&#x6210;&#x8FDE;&#x7EED;&#x7684; biosensing &#x5206;&#x6790;&#x8868;&#x9762;&#x6E29;&#x548C;&#x53BB;&#x6DF7;&#x5408;&#x5316;&#x6761;&#x4EF6;&#x3002;

DNA &#x5B9A;&#x5411;&#x56FA;&#x5B9A;&#x8FA3;&#x6839;&#x8FC7;&#x6C27;&#x5316;&#x7269;&#x9176;&#x5230;&#x591A;&#x5B54; SiO2 &#x5149;&#x5B66;&#x4F20;&#x611F;&#x5668;&#x4E0A;&#x3002;

Multifunctional porous Si nanostructure is designed to optically monitor enzymatic activity of horseradish peroxidase. First, an oxidized PSi optical nanostructure, a Fabry-PÃ©rot thin film, is synthesized and is used as the optical transducer element. Immobilization of the enzyme onto the nanostructure is performed through DNA-directed immobilization. Preliminary studies demonstrate high enzymatic activity levels of the immobilized horseradish peroxidase, while maintaining its specificity. The catalytic activity of the enzymes immobilized within the porous nanostructure is monitored in real time by reflective interferometric Fourier transform spectroscopy. We show that we can easily regenerate the surface for consecutive biosensing analysis by mild dehybridization conditions.

DNA-directed immobilization of horseradish peroxidase onto porous SiO2 optical transducers.

Multifonctionnel poreux Si nanostructure est con&ccedil;u pour surveiller optiquement l&#39;activit&eacute; enzymatique de la peroxydase de raifort. Tout d&#39;abord, un oxyd&eacute; nanostructure optique lb/po2, une mince pellicule de Fabry-P&eacute;rot est synth&eacute;tis&eacute;e et est utilis&eacute; comme &eacute;l&eacute;ment transducteur optique. Immobilisation de l&#39;enzyme sur la nanostructure est r&eacute;alis&eacute;e par immobilisation ax&eacute;s sur l&#39;ADN. &Eacute;tudes pr&eacute;liminaires d&eacute;montrent des niveaux &eacute;lev&eacute;s d&#39;activit&eacute; enzymatique de la peroxydase de raifort immobilis&eacute;, tout en conservant sa sp&eacute;cificit&eacute;. L&#39;activit&eacute; catalytique des enzymes immobilis&eacute;es au sein de la nanostructure poreuse est surveill&eacute;e en temps r&eacute;el par r&eacute;fl&eacute;chissante spectroscopie interf&eacute;rom&eacute;trique transform&eacute;e de Fourier. Nous montrons que nous pouvons facilement r&eacute;g&eacute;n&eacute;rer la surface pour l&#39;analyse de biod&eacute;tection cons&eacute;cutives par les conditions de dehybridization doux.

ADN-r&eacute;alis&eacute; l&#39;immobilisation de la peroxydase de raifort sur poreuses capteurs optiques de SiO2.

Multifunktionale por&ouml;se Si Nanostruktur soll optisch enzymatische Aktivit&auml;t der Meerrettichperoxidase konjugiert zu &uuml;berwachen. Zun&auml;chst eine oxidierte PSi-optische-Nanostruktur, ein Fabry-P&eacute;rot-D&uuml;nnschicht synthetisiert wird und als das optische Wandler-Element verwendet wird. Immobilisierung des Enzyms auf die Nanostruktur erfolgt durch DNA-gesteuerte Immobilisierung. Vorstudien zeigen hohe enzymatische Aktivit&auml;t von der immobilisierte Meerrettichperoxidase konjugiert, unter Beibehaltung seiner Besonderheit. Die katalytische Aktivit&auml;t der Enzyme in den por&ouml;sen Nanostruktur immobilisiert wird durch reflektierende interferometrische Fourier-Transformation Spektroskopie in Echtzeit &uuml;berwacht. Wir zeigen, dass wir die Oberfl&auml;che f&uuml;r aufeinanderfolgende Biosensing Analyse von milden Dehybridization Bedingungen leicht regenerieren k&ouml;nnen.

Unter der Regie von DNA Immobilisierung von Meerrettichperoxidase konjugiert auf por&ouml;sen SiO2 optische Sensoren.

Poroso Si multifunzionale nanostruttura &egrave; progettato per monitorare otticamente l&#39;attivit&agrave; enzimatica della perossidasi di rafano. In primo luogo, un ossidato PSi ottico nanostruttura, un film sottile di Fabry-P&eacute;rot, &egrave; sintetizzato e viene utilizzato come elemento trasduttore ottico. Immobilizzazione dell&#39;enzima su nanostruttura viene eseguita tramite immobilizzazione diretto del DNA. Studi preliminari dimostrano livelli di alta attivit&agrave; enzimatica della perossidasi immobilizzato, pur mantenendo la sua specificit&agrave;. L&#39;attivit&agrave; catalitica degli enzimi immobilizzati all&#39;interno della nanostruttura porosa &egrave; monitorato in tempo reale da riflettente spettroscopia di trasformazione Fourier interferometrica. Dimostriamo che noi possiamo facilmente rigenerare la superficie per l&#39;analisi di biosensori consecutivi da condizioni di lieve dehybridization.

Immobilizzazione DNA-regia di perossidasi di rafano su porose trasduttori ottici di SiO2.

&#x591A;&#x6A5F;&#x80FD;&#x30DD;&#x30FC;&#x30E9;&#x30B9; Si &#x30CA;&#x30CE;&#x69CB;&#x9020;&#x5149;&#x5B66;&#x7684;&#x897F;&#x6D0B;&#x308F;&#x3055;&#x3073;&#x30DA;&#x30EB;&#x30AA;&#x30AD;&#x30B7;&#x30C0;&#x30FC;&#x30BC;&#x306E;&#x9175;&#x7D20;&#x306E;&#x6D3B;&#x52D5;&#x3092;&#x76E3;&#x8996;&#x3059;&#x308B;&#x305F;&#x3081;&#x306B;&#x8A2D;&#x8A08;&#x3055;&#x308C;&#x3066;&#x3044;&#x307E;&#x3059;&#x3002;&#x307E;&#x305A;&#x3001;&#x9178;&#x5316; PSi &#x5149;&#x5B66;&#x30CA;&#x30CE;&#x3001;&#x30D5;&#x30A1;&#x30D6;&#x30EA; &#x30FB; &#x30DA;&#x30ED;&#x30FC;&#x306E;&#x8584;&#x819C;&#x5408;&#x6210;&#x3055;&#x308C;&#x308B;&#x5149;&#x5B66;&#x30C8;&#x30E9;&#x30F3;&#x30B9;&#x30C7;&#x30E5;&#x30FC;&#x30B5;&#x30FC;&#x8981;&#x7D20;&#x3068;&#x3057;&#x3066;&#x3092;&#x4F7F;&#x7528;&#x3057;&#x3066;&#x3044;&#x307E;&#x3059;&#x3002;&#x30CA;&#x30CE;&#x69CB;&#x9020;&#x306E;&#x4E0A;&#x306B;&#x9175;&#x7D20;&#x56FA;&#x5B9A;&#x5316; DNA &#x76E3;&#x7763;&#x56FA;&#x5B9A;&#x5316;&#x3092;&#x901A;&#x3058;&#x3066;&#x5B9F;&#x884C;&#x3055;&#x308C;&#x307E;&#x3059;&#x3002;&#x4E88;&#x5099;&#x7814;&#x7A76;&#x306F;&#x3001;&#x7279;&#x7570;&#x6027;&#x3092;&#x7DAD;&#x6301;&#x3057;&#x306A;&#x304C;&#x3089;&#x56FA;&#x5B9A;&#x5316;&#x30DA;&#x30EB;&#x30AA;&#x30AD;&#x30B7;&#x30C0;&#x30FC;&#x30BC;&#x306E;&#x9AD8;&#x3044;&#x9175;&#x7D20;&#x6D3B;&#x6027;&#x30EC;&#x30D9;&#x30EB;&#x3092;&#x793A;&#x3057;&#x307E;&#x3059;&#x3002;&#x591A;&#x5B54;&#x6027;&#x30CA;&#x30CE;&#x69CB;&#x9020;&#x5185;&#x3067;&#x56FA;&#x5B9A;&#x5316;&#x9175;&#x7D20;&#x306E;&#x89E6;&#x5A92;&#x6D3B;&#x6027;&#x306F;&#x53CD;&#x5C04;&#x578B;&#x5E72;&#x6E09;&#x8A08;&#x578B;&#x30D5;&#x30FC;&#x30EA;&#x30A8;&#x5909;&#x63DB;&#x5206;&#x5149;&#x6CD5;&#x306B;&#x3088;&#x308B;&#x30EA;&#x30A2;&#x30EB;&#x30BF;&#x30A4;&#x30E0;&#x3067;&#x76E3;&#x8996;&#x3055;&#x308C;&#x307E;&#x3059;&#x3002;&#x6211;&#x3005; &#x306F;&#x6211;&#x3005; &#x304C;&#x7C21;&#x5358;&#x306B;&#x8EFD;&#x5EA6;&#x306E; dehybridization &#x6761;&#x4EF6;&#x306B;&#x3088;&#x308B;&#x9023;&#x7D9A;&#x30D0;&#x30A4;&#x30AA;&#x30BB;&#x30F3;&#x30B7;&#x30F3;&#x30B0;&#x5206;&#x6790;&#x7528;&#x8868;&#x9762;&#x518D;&#x751F;&#x6210;&#x3067;&#x304D;&#x308B;&#x3053;&#x3068;&#x3092;&#x793A;&#x3057;&#x307E;&#x3059;&#x3002;

&#x30DD;&#x30FC;&#x30E9;&#x30B9; SiO2 &#x5149;&#x5B66;&#x30C8;&#x30E9;&#x30F3;&#x30B9;&#x30C7;&#x30E5;&#x30FC;&#x30B5;&#x30FC;&#x306B;&#x897F;&#x6D0B;&#x308F;&#x3055;&#x3073;&#x30DA;&#x30EB;&#x30AA;&#x30AD;&#x30B7;&#x30C0;&#x30FC;&#x30BC;&#x306E;&#x76E3;&#x7763;&#x306E; DNA &#x56FA;&#x5B9A;&#x5316;&#x3002;

&#xB2E4;&#xAE30;&#xB2A5; &#xB2E4;&#xACF5;&#xC131; Si nanostructure&#xC740; &#xAD11;&#xD559; &#xC591; &#xACE0;&#xCD94;&#xB0C9;&#xC774; &#xACFC;&#xC0B0;&#xD654; &#xD6A8;&#xC18C;&#xC758; &#xD6A8;&#xC18C; &#xD65C;&#xB3D9;&#xC744; &#xBAA8;&#xB2C8;&#xD130;&#xB9C1; &#xD558;&#xB3C4;&#xB85D; &#xC124;&#xACC4; &#xB418;&#xC5C8;&#xC2B5;&#xB2C8;&#xB2E4;. &#xCCAB;&#xC9F8;, &#xD55C; &#xC0B0;&#xD654; PSi &#xAD11;&#xD559; nanostructure, Fabry-P&eacute;rot &#xBC15;&#xB9C9; &#xD569;&#xC131;&#xC740; &#xACE0; &#xAD11; &#xBCC0;&#xD658;&#xAE30; &#xC694;&#xC18C;&#xB85C; &#xC0AC;&#xC6A9; &#xB429;&#xB2C8;&#xB2E4;. &#xD6A8;&#xC18C;&#xB294; nanostructure&#xC5D0; immobilization immobilization DNA &#xAC10;&#xB3C5;&#xC744; &#xD1B5;&#xD574; &#xC218;&#xD589; &#xB429;&#xB2C8;&#xB2E4;. &#xC608;&#xC120; &#xC5F0;&#xAD6C;&#xC758; &#xD2B9;&#xC774;&#xC131;&#xC744; &#xC720;&#xC9C0; &#xD558;&#xBA74;&#xC11C; &#xC6C0;&#xC9C1;&#xC774;&#xC9C0; &#xC591; &#xACE0;&#xCD94;&#xB0C9;&#xC774; &#xACFC;&#xC0B0;&#xD654; &#xD6A8;&#xC18C;&#xC758; &#xB192;&#xC740; &#xD6A8;&#xC18C; &#xD65C;&#xB3D9; &#xC218;&#xC900;&#xC744; &#xBCF4;&#xC5EC; &#xC90D;&#xB2C8;&#xB2E4;. &#xB2E4;&#xACF5;&#xC131; nanostructure &#xB0B4;&#xC5D0;&#xC11C; &#xC6C0;&#xC9C1;&#xC77C; &#xC218; &#xD6A8;&#xC18C;&#xC758; &#xCD09;&#xB9E4; &#xD65C;&#xB3D9; &#xBC18;&#xC0AC; &#xAC04;&#xC12D; &#xD478;&#xB9AC;&#xC5D0; &#xBCC0;&#xD658; &#xBD84; &#xAD11; &#xD558; &#xC5EC; &#xC2E4;&#xC2DC;&#xAC04;&#xC73C;&#xB85C; &#xBAA8;&#xB2C8;&#xD130;&#xB9C1; &#xB429;&#xB2C8;&#xB2E4;. &#xC6B0;&#xB9AC;&#xB294; &#xC6B0;&#xB9AC;&#xAC00; &#xC27D;&#xAC8C; &#xAC00;&#xBCBC;&#xC6B4; dehybridization &#xC870;&#xAC74;&#xC5D0; &#xC758;&#xD574; &#xD45C;&#xBA74;&#xC5D0; &#xC5F0;&#xC18D; &#xB41C; biosensing &#xBD84;&#xC11D;&#xC744; &#xB2E4;&#xC2DC; &#xB9CC;&#xB4E4; &#xC218; &#xC788;&#xC2B5;&#xB2C8;&#xB2E4; &#xBCF4;&#xC5EC;&#xC90D;&#xB2C8;&#xB2E4;.

&#xB2E4;&#xACF5;&#xC131; SiO2 &#xAD11; &#xD2B8;&#xB79C;&#xC2A4;&#xB4C0;&#xC11C;&#xC5D0; &#xC591; &#xACE0;&#xCD94;&#xB0C9;&#xC774; &#xACFC;&#xC0B0;&#xD654; &#xD6A8;&#xC18C;&#xC758; DNA &#xAC10;&#xB3C5; immobilization.

Multifuncional poroso Si nanoestructura est&aacute; dise&ntilde;ado para monitorear &oacute;pticamente la actividad enzim&aacute;tica de la peroxidasa de r&aacute;bano. En primer lugar, un oxidado nanoestructura &oacute;ptico PSi, una capa delgada de Fabry-P&eacute;rot, se sintetiza y se utiliza como elemento transductor &oacute;ptico. Inmovilizaci&oacute;n de la enzima en la nanoestructura se realiza mediante inmovilizaci&oacute;n dirigido por ADN. Estudios preliminares muestran niveles de alta actividad enzim&aacute;tica de la peroxidasa de r&aacute;bano inmovilizados, manteniendo su especificidad. La actividad catal&iacute;tica de las enzimas inmovilizados dentro la nanoestructura porosa es monitoreada en tiempo real mediante espectroscop&iacute;a de transformaci&oacute;n de Fourier interferom&eacute;trico reflexivo. Mostramos que f&aacute;cilmente nos podemos regenerar la superficie p.a. biodetecci&oacute;n consecutivos por condiciones dehybridization suave.

Dirigido por ADN inmovilizaci&oacute;n de la peroxidasa de r&aacute;bano en porosos transductores &oacute;pticos de SiO2.

&#x53EF;&#x4EE5;&#x4E24;&#x4E2A;&#x663E;&#x793A;&#x5668;&#x591A;&#x529F;&#x80FD;&#x591A;&#x5B54;&#x7845;&#x4F20;&#x611F;&#x5668;&#x9176;&#x6D3B;&#x6027;&#x7684;&#x5206;&#x949F;&#x6837;&#x672C;&#x548C;&#x5141;&#x8BB8;&#x968F;&#x540E;&#x68C0;&#x7D22;&#x8D28;&#x8C31;&#x5206;&#x6790;&#x5305;&#x5D4C;&#x86CB;&#x767D;&#x6C34;&#x89E3;&#x4EA7;&#x54C1;&#x7684;&#x63CF;&#x8FF0;&#x3002;&#x751F;&#x7269;&#x4F20;&#x611F;&#x5668;&#x662F;&#x901A;&#x8FC7; DNA &#x5B9A;&#x5411;/&#x53EF;&#x9006;&#x56FA;&#x5B9A;&#x5316;&#x9176;&#x6CD5;&#x5E03;&#x91CC;-P&eacute;rot &#x8584;&#x819C;&#x4E0A;&#x6784;&#x5EFA;&#x7684;&#x3002;&#x6211;&#x4EEC;&#x8BC1;&#x660E;&#x9AD8;&#x9176;&#x6D3B;&#x6027;&#x6C34;&#x5E73;&#x7684;&#x56FA;&#x5B9A;&#x5316;&#x9176; &#xFF08;&#x8D85;&#x8FC7; 80%&#xFF09;&#xFF0C;&#x540C;&#x65F6;&#x4FDD;&#x6301;&#x5176;&#x7279;&#x6B8A;&#x6027;&#x3002;&#x8F7B;&#x5EA6;&#x53BB;&#x6DF7;&#x5408;&#x5316;&#x6761;&#x4EF6;&#x5141;&#x8BB8;&#x9176;&#x56DE;&#x6536;&#x53CA;&#x8FDE;&#x7EED; biosensing &#x5206;&#x6790;&#x80A4;&#x6D45;&#x8868;&#x9762;&#x518D;&#x751F;&#x3002;&#x56FA;&#x5B9A;&#x5316;&#x9176;&#x7684;&#x50AC;&#x5316;&#x6D3B;&#x6027;&#x662F;&#x901A;&#x8FC7;&#x53CD;&#x5C04;&#x5E72;&#x6D89;&#x7684;&#x5085;&#x91CC;&#x53F6;&#x53D8;&#x6362;&#x5149;&#x8C31;&#x5B9E;&#x65F6;&#x76D1;&#x63A7;&#x3002;&#x5B9E;&#x65F6;&#x5206;&#x6790;&#x7684;&#x5FAE;&#x91CF;&#x9176; (&#x6D53;&#x5EA6;&#x81F3;&#x5C11; 1 &#x6570;&#x91CF;&#x7EA7;&#x8F83;&#x4F4E;&#xFF0C;0.1 &#x6BEB;&#x514B; mL(-1)&#xFF0C;&#x6BD4;&#x524D;&#x51E0;&#x6B21;&#x62A5;&#x544A;&#xFF0C;1 &#x6BEB;&#x514B; mL(-1))&#xFF0C;&#x5728;&#x7279;&#x5B9A;&#x7684;&#x86CB;&#x767D;&#x9176;&#xFF0C;&#x94FA;&#x5E73;&#x57FA;&#x6750;&#x6027;&#x80FD;&#x5206;&#x6790;&#x548C;&#x786E;&#x5B9A;&#x5288;&#x88C2;&#x7684;&#x5730;&#x70B9;&#x3002;&#x751F;&#x7269;&#x4F20;&#x611F;&#x5668;&#x914D;&#x7F6E;&#x662F;&#x5E38;&#x89C1;&#x7684;&#x86CB;&#x767D;&#x8D28;&#x7EC4;&#x5B66;&#x65B9;&#x6CD5;&#x4E0E;&#x517C;&#x5BB9;&#xFF0C;&#x5E76;&#x5141;&#x8BB8;&#x6210;&#x529F;&#x4E0B;&#x6E38;&#x8D28;&#x8C31;&#x5206;&#x6790;&#x7684;&#x53CD;&#x5E94;&#x4EA7;&#x7269;&#x3002;

&#x6536;&#x62FE;&#x6B8B;&#x5C40;&#xFF1A; A &#x6CDB;&#x578B;&#x7684;&#x591A;&#x5B54;&#x7845;&#x751F;&#x7269;&#x4F20;&#x611F;&#x5668;&#xFF0C;&#x7528;&#x4E8E;&#x63A2;&#x6D4B;&#x86CB;&#x767D;&#x6C34;&#x89E3;&#x9176;&#x4EA7;&#x54C1;&#x3002;

A multifunctional porous Si biosensor that can both monitor the enzymatic activity of minute samples and allow subsequent retrieval of the entrapped proteolytic products for mass spectrometry analysis is described. The biosensor is constructed by DNA-directed/reversible immobilization of enzymes onto a Fabry-PÃ©rot thin film. We demonstrate high enzymatic activity levels of the immobilized enzymes (more than 80%), while maintaining their specificity. Mild dehybridization conditions allow enzyme recycling and facile surface regeneration for consecutive biosensing analysis. The catalytic activity of the immobilized enzymes is monitored in real time by reflective interferometric Fourier transform spectroscopy. The real-time analysis of minute quantities of enzymes (concentrations at least 1 order of magnitude lower, 0.1 mg mL(-1), in comparison to previous reports, 1 mg mL(-1)), in particular proteases, paves the way for substrate profiling and the identification of cleavage sites. The biosensor configuration is compatible with common proteomic methods and allows for a successful downstream mass spectrometry analysis of the reaction products.

Picking up the Pieces: A Generic Porous Si Biosensor for Probing the Proteolytic Products of Enzymes.

Un biocapteur de Si poreux multifonctionnel qui peut les deux moniteur l&#39;activit&eacute; enzymatique de la minute &eacute;chantillons et permettre une r&eacute;cup&eacute;ration ult&eacute;rieure des produits prot&eacute;olytiques emprisonn&eacute;es pour analyse par spectrom&eacute;trie de masse est d&eacute;crite. Le biocapteur est construit par l&#39;immobilisation de l&#39;ADN r&eacute;alis&eacute;/r&eacute;versible d&#39;enzymes sur un film mince de Fabry-P&eacute;rot. Nous d&eacute;montrons des niveaux &eacute;lev&eacute;s d&#39;activit&eacute; enzymatique des enzymes immobilis&eacute;es (plus de 80 %), tout en conservant leur sp&eacute;cificit&eacute;. Les conditions de dehybridization doux permettent d&#39;enzyme de recyclage et de r&eacute;g&eacute;n&eacute;ration de surface facile pour l&#39;analyse de biod&eacute;tection cons&eacute;cutives. L&#39;activit&eacute; catalytique des enzymes immobilis&eacute;es est surveill&eacute;e en temps r&eacute;el par r&eacute;fl&eacute;chissante spectroscopie interf&eacute;rom&eacute;trique transform&eacute;e de Fourier. L&#39;analyse en temps r&eacute;el d&#39;infimes quantit&eacute;s d&#39;enzymes (les concentrations au moins 1 ordre de grandeur inf&eacute;rieur, 0,1 mg mL(-1), par rapport &agrave; pr&eacute;c&eacute;dents rapports, mL(-1)) 1 mg, en particuliers prot&eacute;ases, ouvre la voie &agrave; l&#39;identification des sites de clivage et de profilage de substrat. La configuration de biocapteur est compatible avec les m&eacute;thodes prot&eacute;omiques communes et permet une analyse de spectrom&eacute;trie de masse en aval avec succ&egrave;s des produits de la r&eacute;action.

Recoller les morceaux: A Generic poreux Si biocapteur pour sonder les produits des Enzymes prot&eacute;olytiques.

Eine multifunktionale por&ouml;se Si-Biosensor, die beide Monitor kann die enzymatische Aktivit&auml;t von Minute Proben und zulassen, dass die darauffolgende Wiederauffindung der eingeschlossenen proteolytische Produkte f&uuml;r Massenspektrometrie Analyse beschrieben wird. Der Biosensor ist durch DNA-Regie/umschaltbar Immobilisierung von Enzymen auf einem Fabry-P&eacute;rot-D&uuml;nnschicht gebaut. Wir zeigen hohe enzymatische Aktivit&auml;t der immobilisierte Enzyme (mehr als 80 %), unter Beibehaltung ihrer Besonderheit. Milde Dehybridization Bedingungen erlauben Enzym recycling und oberfl&auml;chlichen Oberfl&auml;che Regenerierung f&uuml;r aufeinanderfolgende Biosensing Analyse. Die katalytische Aktivit&auml;t der immobilisierte Enzyme wird durch reflektierende interferometrische Fourier-Transformation Spektroskopie in Echtzeit &uuml;berwacht. Die Echtzeit-Analyse des minuzi&ouml;se Quantit&auml;ten von Enzymen (Konzentrationen mindestens 1 Gr&ouml;&szlig;enordnung niedriger, 0,1 mg mL(-1), im Vergleich zu fr&uuml;heren Berichten, 1 mg mL(-1)), in bestimmten Proteasen, ebnet den Weg f&uuml;r Substrat profiling und die Identifizierung der Spaltung Websites. Die Biosensor-Konfiguration ist kompatibel mit g&auml;ngigen Proteomic-Methoden und erm&ouml;glicht eine erfolgreiche nachgeschaltete Massenspektrometrie-Analyse der Reaktionsprodukte.

Picking up the Pieces: A Generic por&ouml;se Si Biosensor f&uuml;r Probing Produkte von proteolytische Enzyme.

Un biosensore di Si porosi multifunzionale che possono entrambi monitor dell&#39;attivit&agrave; enzimatica della minuto campioni e consentire conseguente reperimento dei prodotti proteolitici intrappolate per l&#39;analisi di spettrometria di massa &egrave; descritto. Biosensore &egrave; costruito da immobilizzazione del DNA-regia reversibile di enzimi su un film sottile di Fabry-P&eacute;rot. Noi dimostrare livelli di alta attivit&agrave; enzimatica degli enzimi immobilizzati (pi&ugrave; del 80%), pur mantenendo la loro specificit&agrave;. Condizioni di lieve dehybridization consentono enzima riciclaggio e rigenerazione superficie facile per analisi di biosensori consecutivi. L&#39;attivit&agrave; catalitica degli enzimi immobilizzati &egrave; monitorato in tempo reale da riflettente spettroscopia di trasformazione Fourier interferometrica. L&#39;analisi in tempo reale della quantit&agrave; di enzimi (concentrazioni almeno 1 ordine di grandezza inferiore, 0,1 mg mL(-1), rispetto alle precedenti relazioni, mL(-1)) 1 mg, in particolare proteasi, spiana la strada per la profilatura del substrato e l&#39;identificazione dei siti di clivaggio. La configurazione del biosensore &egrave; compatibile con i comuni metodi di proteomic e permette un&#39;analisi di spettrometria di massa a valle successo dei prodotti di reazione.

Picking up the Pieces: un generico poroso Si biosensore per sondare i prodotti di enzimi proteolitici.

&#x4E21;&#x65B9;&#x306E;&#x30E2;&#x30CB;&#x30BF;&#x30FC;&#x304C;&#x3067;&#x304D;&#x308B;&#x591A;&#x6A5F;&#x80FD;&#x306E;&#x591A;&#x5B54;&#x8CEA; Si &#x30D0;&#x30A4;&#x30AA;&#x9175;&#x7D20;&#x6D3B;&#x6027;&#x5206;&#x306E;&#x30B5;&#x30F3;&#x30D7;&#x30EB;&#x3057;&#x3001;&#x6355;&#x6349;&#x86CB;&#x767D;&#x5206;&#x89E3;&#x88FD;&#x54C1;&#x8CEA;&#x91CF;&#x5206;&#x6790;&#x7528;&#x306E;&#x5F8C;&#x7D9A;&#x691C;&#x7D22;&#x3092;&#x8AAC;&#x660E;&#x3067;&#x304D;&#x308B;&#x3088;&#x3046;&#x306B;&#x3002;&#x30D0;&#x30A4;&#x30AA; &#x30BB;&#x30F3;&#x30B5;&#x30FC;&#x306F; DNA &#x76E3;&#x7763;/&#x30EA;&#x30D0;&#x30FC;&#x30B7;&#x30D6;&#x30EB; &#x30D5;&#x30A1;&#x30D6;&#x30EA; &#x30FB; &#x30DA;&#x30ED;&#x30FC;&#x306E;&#x8584;&#x819C;&#x306E;&#x4E0A;&#x306B;&#x9175;&#x7D20;&#x56FA;&#x5B9A;&#x5316;&#x306B;&#x3088;&#x3063;&#x3066;&#x69CB;&#x7BC9;&#x3055;&#x308C;&#x307E;&#x3059;&#x3002;&#x305D;&#x306E;&#x7279;&#x7570;&#x6027;&#x3092;&#x7DAD;&#x6301;&#x3057;&#x306A;&#x304C;&#x3089;&#x56FA;&#x5B9A;&#x5316;&#x9175;&#x7D20; (80% &#x4EE5;&#x4E0A;) &#x306E;&#x9AD8;&#x3044;&#x9175;&#x7D20;&#x6D3B;&#x6027;&#x30EC;&#x30D9;&#x30EB;&#x3092;&#x793A;&#x3057;&#x307E;&#x3059;&#x3002;&#x8EFD;&#x5EA6;&#x306E; dehybridization &#x6761;&#x4EF6;&#x306F;&#x3001;&#x9175;&#x7D20;&#x306E;&#x30EA;&#x30B5;&#x30A4;&#x30AF;&#x30EB;&#x3068;&#x9023;&#x7D9A;&#x30D0;&#x30A4;&#x30AA;&#x30BB;&#x30F3;&#x30B7;&#x30F3;&#x30B0;&#x5206;&#x6790;&#x306E;&#x305F;&#x3081;&#x306E;&#x5B89;&#x6613;&#x306A;&#x8868;&#x9762;&#x518D;&#x751F;&#x3067;&#x304D;&#x307E;&#x3059;&#x3002;&#x56FA;&#x5B9A;&#x5316;&#x9175;&#x7D20;&#x306E;&#x89E6;&#x5A92;&#x6D3B;&#x6027;&#x306F;&#x53CD;&#x5C04;&#x306E;&#x5E72;&#x6E09;&#x8A08;&#x578B;&#x30D5;&#x30FC;&#x30EA;&#x30A8;&#x5909;&#x63DB;&#x5206;&#x5149;&#x306B;&#x3088;&#x308B;&#x30EA;&#x30A2;&#x30EB;&#x30BF;&#x30A4;&#x30E0;&#x3067;&#x76E3;&#x8996;&#x3055;&#x308C;&#x307E;&#x3059;&#x3002;(&#x6FC3;&#x5EA6;&#x306F;&#x3001;&#x5C11;&#x306A;&#x304F;&#x3068;&#x3082; 1 &#x6841;&#x4F4E;&#x304F;&#x3001;0.1 mg mL(-1)&#x3001;1 mg mL(-1)) &#x7279;&#x5B9A;&#x306E;&#x30D7;&#x30ED;&#x30C6;&#x30A2;&#x30FC;&#x30BC;&#x306E;&#x4EE5;&#x524D;&#x306E;&#x5831;&#x544A;&#x3068;&#x6BD4;&#x8F03;&#x3057;&#x3066;&#x57FA;&#x677F;&#x306E;&#x30D7;&#x30ED;&#x30D5;&#x30A1;&#x30A4;&#x30EA;&#x30F3;&#x30B0;&#x3068;&#x5207;&#x65AD;&#x90E8;&#x4F4D;&#x306E;&#x540C;&#x5B9A;&#x9053;&#x3002; &#x9175;&#x7D20;&#x306E;&#x5FAE;&#x91CF;&#x306E;&#x30EA;&#x30A2;&#x30EB;&#x30BF;&#x30A4;&#x30E0;&#x89E3;&#x6790;&#x30D0;&#x30A4;&#x30AA; &#x30BB;&#x30F3;&#x30B5;&#x30FC;&#x306E;&#x69CB;&#x6210;&#x306F;&#x3001;&#x30D7;&#x30ED;&#x30C6;&#x30AA;&#x30FC;&#x30E0;&#x3001;&#x30E1;&#x30BD;&#x30C3;&#x30C9;&#x306E;&#x4E00;&#x822C;&#x7684;&#x306A;&#x4E92;&#x63DB;&#x6027;&#x3042;&#x308A;&#x3001;&#x53CD;&#x5FDC;&#x751F;&#x6210;&#x7269;&#x306E;&#x6210;&#x529F;&#x306E;&#x4E0B;&#x6D41;&#x306E;&#x8CEA;&#x91CF;&#x5206;&#x6790;&#x3067;&#x304D;&#x307E;&#x3059;&#x3002;

&#x4F5C;&#x54C1;&#x3092;&#x72E9;&#x308A;&#xFF1A; &#x30D0;&#x30A4;&#x30AA; A &#x30B8;&#x30A7;&#x30CD;&#x30EA;&#x30C3;&#x30AF; &#x30DD;&#x30FC;&#x30E9;&#x30B9; Si &#x86CB;&#x767D;&#x5206;&#x89E3;&#x9175;&#x7D20;&#x306E;&#x88FD;&#x54C1;&#x3092;&#x30D7;&#x30ED;&#x30FC;&#x30D3;&#x30F3;&#x30B0;&#x7528;&#x30BB;&#x30F3;&#x30B5;&#x30FC;&#x3002;

&#xBC14;&#xC774;&#xC624;&#xB294; &#xB2E4;&#xAE30;&#xB2A5; &#xB2E4;&#xACF5;&#xC131; Si &#xC13C;&#xC11C; &#xBAA8;&#xB450; &#xBAA8;&#xB2C8;&#xD130; &#xC218; &#xC788;&#xB294; &#xBD84;&#xC758; &#xD6A8;&#xC18C; &#xD65C;&#xB3D9; &#xC0D8;&#xD50C;&#xB9C1; &#xD558; &#xACE0; &#xC124;&#xBA85; &#xD558;&#xB294; &#xC9C8;&#xB7C9; &#xBD84;&#xC11D; &#xBD84;&#xC11D;&#xC744; &#xC704;&#xD574; &#xBD09;&#xB41C; &#xB2E8;&#xBC31;&#xC9C8; &#xC81C;&#xD488;&#xC758; &#xD6C4;&#xC18D; &#xAC80;&#xC0C9;&#xC744; &#xD5C8;&#xC6A9; &#xD569;&#xB2C8;&#xB2E4;. &#xBC14;&#xC774;&#xC624; &#xC13C;&#xC11C;&#xB294; DNA &#xAC10;&#xB3C5;/&#xAC00;&#xC5ED; immobilization Fabry-P&eacute;rot &#xBC15;&#xB9C9;&#xC5D0; &#xD6A8;&#xC18C;&#xC758;&#xC5D0; &#xC758;&#xD574; &#xC0DD;&#xC131; &#xB429;&#xB2C8;&#xB2E4;. &#xADF8;&#xB4E4;&#xC758; &#xD2B9;&#xC774;&#xC131;&#xC744; &#xC720;&#xC9C0; &#xD558;&#xBA74;&#xC11C; &#xC6C0;&#xC9C1;&#xC774;&#xC9C0; &#xD6A8;&#xC18C; (&#xC774;&#xC0C1;: 80%)&#xC758; &#xB192;&#xC740; &#xD6A8;&#xC18C; &#xD65C;&#xB3D9; &#xC218;&#xC900;&#xC744; &#xBCF4;&#xC5EC; &#xC90D;&#xB2C8;&#xB2E4;. &#xAC00;&#xBCBC;&#xC6B4; dehybridization &#xC870;&#xAC74;&#xC744; &#xC0AC;&#xC6A9; &#xD6A8;&#xC18C; &#xC7AC;&#xD65C;&#xC6A9; &#xBC0F; &#xC5F0;&#xC18D; &#xB41C; biosensing &#xBD84;&#xC11D;&#xC5D0; &#xB300; &#xD55C; &#xC190;&#xC26C;&#xC6B4; &#xD45C;&#xBA74; &#xC7AC;&#xC0DD;. &#xC6C0;&#xC9C1;&#xC774;&#xC9C0; &#xD6A8;&#xC18C;&#xC758; &#xCD09;&#xB9E4; &#xD65C;&#xB3D9; &#xBC18;&#xC0AC; &#xAC04;&#xC12D; &#xD478;&#xB9AC;&#xC5D0; &#xBCC0;&#xD658; &#xBD84; &#xAD11; &#xD558; &#xC5EC; &#xC2E4;&#xC2DC;&#xAC04;&#xC73C;&#xB85C; &#xBAA8;&#xB2C8;&#xD130;&#xB9C1; &#xB429;&#xB2C8;&#xB2E4;. &#xC18C;&#xB7C9; (&#xB18D;&#xB3C4; 1 &#xC774;&#xC0C1; &#xBA87; &#xBC30;&#xB098; &#xB0AE;&#xC740;, 0.1 m g mL(-1), &#xC774;&#xC804; &#xBCF4;&#xACE0;&#xC11C;, 1mg mL(-1)) &#xD2B9;&#xC815; &#xD504;&#xB85C; &#xD14C;&#xC544; &#xC81C;&#xC5D0; &#xBE44;&#xD574; &#xAE30;&#xD310; &#xD504;&#xB85C; &#xD30C;&#xC77C;&#xB9C1; &#xBC0F; &#xBD84;&#xC5F4; &#xC0AC;&#xC774;&#xD2B8;&#xC758; &#xC2DD;&#xBCC4;&#xC744; &#xC704;&#xD55C; &#xBC29;&#xBC95;&#xC774; &#xBD88;&#xBC95; &#xCCB4;&#xB958;&#xC790; &#xD6A8;&#xC18C;&#xC758; &#xC2E4;&#xC2DC;&#xAC04; &#xBD84;&#xC11D;. &#xBC14;&#xC774;&#xC624; &#xC13C;&#xC11C; &#xAD6C;&#xC131; &#xC77C;&#xBC18;&#xC801;&#xC778; proteomic &#xBC29;&#xBC95;&#xC640; &#xD638;&#xD658; &#xB418; &#xACE0; &#xBC18;&#xC751; &#xC81C;&#xD488;&#xC758; &#xC131;&#xACF5;&#xC801;&#xC778; &#xB2E4;&#xC6B4;&#xC2A4;&#xD2B8;&#xB9BC; &#xC9C8;&#xB7C9; &#xBD84;&#xC11D; &#xBD84;&#xC11D;&#xC744; &#xD5C8;&#xC6A9; &#xD569;&#xB2C8;&#xB2E4;.

&#xC870;&#xAC01;&#xC744; &#xB530;&#xAE30;: &#xBC14;&#xC774;&#xC624; A &#xC77C;&#xBC18; &#xB2E4;&#xACF5;&#xC131; Si &#xC13C;&#xC11C;&#xB97C; &#xD6A8;&#xC18C;&#xC758; &#xB2E8;&#xBC31;&#xC9C8; &#xC81C;&#xD488;&#xC744; &#xD504;&#xB85C; &#xBE59;.

Un biosensor de Si poroso multifuncional que puede tanto monitor la actividad enzim&aacute;tica de minuto muestras y permite la posterior recuperaci&oacute;n de los productos proteol&iacute;ticas atrapados para an&aacute;lisis de espectrometr&iacute;a de masas se describe. El biosensor se construye mediante la inmovilizaci&oacute;n de ADN dirigido/reversible de enzimas en una capa delgada de Fabry-P&eacute;rot. Demostramos a niveles de alta actividad enzim&aacute;tica de las enzimas inmovilizadas (m&aacute;s del 80%), manteniendo su especificidad. Suave dehybridization condiciones permiten enzima reciclaje y f&aacute;cil regeneraci&oacute;n superficie p.a. biodetecci&oacute;n consecutivos. La actividad catal&iacute;tica de las enzimas inmovilizadas se monitorea en tiempo real mediante espectroscop&iacute;a de transformaci&oacute;n de Fourier interferom&eacute;trico reflexivo. El an&aacute;lisis en tiempo real de cantidades diminutas de enzimas (concentraciones por lo menos 1 de magnitud menor, 0.1 mg ml, en comparaci&oacute;n con informes anteriores, 1 mg de mL(-1)), en particulares proteasas, allana el camino para el perfilado de sustrato y la identificaci&oacute;n de sitios de escote. La configuraci&oacute;n del biosensor es compatible con los m&eacute;todos comunes de prote&oacute;micos y permite un an&aacute;lisis de espectrometr&iacute;a de &eacute;xito aguas abajo de los productos de reacci&oacute;n.

Recogiendo las piezas: A gen&eacute;rico poroso Si Biosensor para sondear los productos de las enzimas proteol&iacute;ticas.

Nanostructured porous silicon (PSi) thin films, fabricated by the electrochemical anodization of single crystalline Si wafers, are studied as delivery systems for the anticancer drug mitoxantrone dihydrochloride (MTX). The surface chemistry of the PSi carriers was tailored by surface alkylation using thermal hydrosilylation of 1-dodecene and undecylenic acid, followed by physical adsorption or covalent attachment of MTX to the Si scaffold. The nanostructure and the physiochemical properties of the different carriers were characterized by attenuated total reflectance Fourier transform infrared spectroscopy, nitrogen adsorption-desorption and contact angle measurements, demonstrating that surface alkylation results in a pronounced effect on the hydrophobicity/hydrophilicity of the scaffolds and a volumetric gain in pore wall, which in turn results in a decrease in pore diameter (>23%) and available porous volume (>40%). The effect of these key parameters on MTX loading efficacy, release profile, Si scaffold erosion kinetics and in vitro cytotoxicity on human breast carcinoma (MDA-MB-231) cells was studied and compared to the behavior of neat PSi carriers. We show that the chemically modified PSi carriers exhibit sustained release for several days to weeks with minimal to no burst effect, while for the native PSi MTX release was completed within 5h with a substantial burst release of ~40%. Moreover, our in vitro cytotoxicity experiments have clearly demonstrated that the MTX released from all PSi carriers maintained its cytotoxic effect towards MDA-MB-231 cells, in comparison to the low toxicity of the PSi carriers.

Article	Year
Engineering nanostructured porous SiO2 surfaces for bacteria detection via "direct cell capture". Analytical chemistry\| PubMed ID: 21425788	2011
Advancing nanostructured porous si-based optical transducers for label free bacteria detection. Advances in experimental medicine and biology\| PubMed ID: 22101710	2012
DNA-directed immobilization of horseradish peroxidase onto porous SiO2 optical transducers. Nanoscale research letters\| PubMed ID: 22873686	2012
Picking up the Pieces: A Generic Porous Si Biosensor for Probing the Proteolytic Products of Enzymes. Analytical chemistry\| PubMed ID: 23268591	2013
Engineering porous silicon nanostructures as tunable carriers for mitoxantrone dihydrochloride. Acta biomaterialia\| PubMed ID: 23274152	2013

Naama Massad-Ivanir

Biography

JoVE Journal Publications

Other Publications