Bezznacznikowa detekcja pojedynczych cząsteczek za pomocą mikrotoroidalnych rezonatorów optycznych

Summary

Opracowaliśmy bezznacznikowy system biodetekcji oparty na technologii rezonatora optycznego, znanej jako Frequency Locking Optical Whispering Evanescent Resonator (FLOWER), który jest w stanie wykrywać pojedyncze cząsteczki w roztworze. Tutaj opisano i przedstawiono procedury stojące za tą pracą.

Abstract

Wykrywanie małych stężeń cząsteczek aż do limitu pojedynczej cząsteczki ma wpływ na takie obszary, jak wczesne wykrywanie chorób i podstawowe badania nad zachowaniem molekuł. Techniki wykrywania pojedynczych cząsteczek często wykorzystują etykiety, takie jak znaczniki fluorescencyjne lub kropki kwantowe, jednak znaczniki nie zawsze są dostępne, zwiększają koszty i złożoność oraz mogą zakłócać badane zdarzenia. Rezonatory optyczne okazały się obiecującym sposobem wykrywania pojedynczych cząsteczek bez użycia znaczników. Obecnie najmniejszą cząstką wykrytą przez niewzmocniony plazmonicznie system gołego rezonatora optycznego w roztworze jest kula z polistyrenu o długości fali²⁵ nm 1. Opracowaliśmy technikę znaną jako Frequency Locking Optical Whispering Evanescent Resonator (FLOWER), która może przekroczyć ten limit i osiągnąć bezznacznikową detekcję pojedynczej cząsteczki w roztworze wodnym². Ponieważ siła sygnału skaluje się wraz z ilością cząstek, nasze prace zapewniają > 100-krotną poprawę stosunku sygnału do szumu (SNR) w porównaniu z obecnym stanem techniki. Tutaj przedstawiono procedury stojące za FLOWER w celu zwiększenia jego wykorzystania w terenie.

Introduction

Eksperymenty z wykrywaniem pojedynczych cząsteczek są przydatne do zmniejszania ilości analitu używanego w biosensorach, do wczesnego wykrywania chorób i do badania podstawowych właściwości cząsteczek³. Takie eksperymenty są zwykle przeprowadzane przy użyciu znaczników, jednak nie zawsze jest możliwe uzyskanie znaczników dla określonego białka, zwiększa koszty, może zaburzać badane zdarzenia i może być niewygodne, szczególnie w przypadku eksperymentów w czasie rzeczywistym na miejscu lub diagnostyki w miejscu opieki nad pacjentem.

Obecnym złotym standardem dla biodetekcji bez znaczników jest powierzchniowy rezonans plazmonowy

Protocol

1. Konfiguracja eksperymentalna i przygotowanie próbki

1. Wytwarzaj mikrotoroidy przy użyciu procedury litografii, trawienia i topienia, jak opisano wcześniej⁶. Wytwarzaj mikrotoroidy na wierzchu płytki krzemowej (chipa), które zwykle mają główną średnicę 80-100 μm i mniejszą średnicę 2 μm.
2. Rozwiń około metra światłowodu jednomodowego (okładzina 125 μm, średnica pola 4,3 μm) ze szpuli światłowodu.
3. W środku rozwiniętej części światłowodu usuń mały segment (2,5 cm) powłoki polimerowej wokół światłowodu za pomocą ściągaczy izolacji. Uwaga: Jest to część światłowodu, która zostanie użyta do ulotnego sprzężenia światła z mikrotoroide....

Results

Zdarzenia wiązania cząstek są wyraźnie widoczne jako skokowe zmiany długości fali rezonansowej mikrotoroidu w czasie (Rysunek 2A). Wysokości tych stopni są pokazane jako histogram na rysunku 2B. Ryciny 2-4 pokazują reprezentatywne ślady wiązania egzosomów (nanopęcherzyków), kulek krzemionki 5 nm i pojedynczych cząsteczek ludzkiej interleukiny-2. Fakt, że zdarzenia przypominające krok skalują się wraz z wielkością cząstek, pokazuje, że technika została wykonana prawidłowo.......

Discussion

Gdy cząstka się wiąże, długość fali rezonansowej (λ) toroidu wzrasta. Jeśli cząstka się odczepi, długość fali rezonansowej odpowiednio się zmniejsza (zdarzenie obniżające). Średnicę cząstki (d) można określić za pomocą histogramów amplitudy każdego kroku długości fali. Wysokość każdego kroku długości fali zmienia się ze względu na zmiany wielkości związanej cząstki oraz ze względu na miejsce na mikrotoroidzie, w którym cząstka się wiąże. Maksymalna zmiana długości fali rezonansowej (wysokości kroku) wys.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Przestrajalny laser diodowy	Newport	TLB-6300
Kontroler lasera	Newport	TLB-6300-LN
Kontroler sprzężenia zwrotnego z blokadą częstotliwości	Toptica Photonics	Digilock 110
Automatycznie zbalansowany fotoodbiornik	Newport	Model 2007
Kontroler polaryzacji in-line	General Photonics	PLC-003-S-90
24-bitowa karta akwizycji danych	National Instruments	NI-PCI-4461
Rekombinowana ludzka interleukina-2	Pierce Biotechnology	R201520
Koraliki polistyrenowe 20 nm	Thermo Scientific	3020A
NanoCube XYZ Piezo Stage	Physik Instrumente	P-611.3
Stół optyczny	Newport	VH3660W-OPT
Soczewka obiektywu do kolumny obrazowej	Navitar Machine Vision	1-60228
Kolumna obrazowania (tubus adaptera)	Navitar Machine Vision	1-60228
Kamera CCD o wysokiej rozdzielczości do kolumny obrazowania	Edmund Industrial Optics	NT39244