Method Article

Bezznacznikowa detekcja pojedynczych cząsteczek za pomocą mikrotoroidalnych rezonatorów optycznych

DOI:

10.3791/53180

December 29th, 2015

In This Article

Summary

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.......

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Acknowledgements

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

To badanie było częściowo wspierane przez National Research Service Award (T32GM07616) od National Institute of General Medical Sciences.

....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Przestrajalny laser diodowyNewportTLB-6300
Kontroler laseraNewportTLB-6300-LN
Kontroler sprzężenia zwrotnego z blokadą częstotliwościToptica PhotonicsDigilock 110
Automatycznie zbalansowany fotoodbiornikNewportModel 2007
Kontroler polaryzacji in-lineGeneral PhotonicsPLC-003-S-90
24-bitowa karta akwizycji danychNational InstrumentsNI-PCI-4461
Rekombinowana ludzka interleukina-2Pierce BiotechnologyR201520
Koraliki polistyrenowe 20 nmThermo Scientific3020A
NanoCube XYZ Piezo StagePhysik InstrumenteP-611.3
Stół optycznyNewportVH3660W-OPT
Soczewka obiektywu do kolumny obrazowejNavitar Machine Vision1-60228
Kolumna obrazowania (tubus adaptera)Navitar Machine Vision1-60228
Kamera CCD o wysokiej rozdzielczości do kolumny obrazowaniaEdmund Industrial OpticsNT39244

References

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Lu, T., et al. High sensitivity nanoparticle detection using optical microcavities. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 108, 5976-5979 (2011).
  2. Su, J., Goldberg, A. F. G., Stoltz, B. Label-free detecti....

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Label free Single Molecule DetectionMicrotoroid Optical ResonatorsFrequency Locking Optical Whispering Evanescent ResonatorOptical Resonator TechnologySingle Molecule DetectionNanoparticle DetectionProtein Folding AnalysisBinding Kinetics StudyOptical Fiber CouplingResonance Wavelength Tracking

Related Articles