En etikett-free optisk biosensor for raske bakterier deteksjon er innført. Biosensoren er basert på en nanostrukturerte porøst Si, som er utformet til å fange opp direkte mål-bakterieceller på sin overflate. Vi benytter monoklonale antistoffer immobilisert på den porøse transduser, som fangst sonder. Våre studier demonstrerer anvendeligheten av slike biosensorer for påvisning av lave konsentrasjoner av bakterielle løpet av få minutter uten noen forutgående prøvebehandling (slik som cellelyse).
En etikett-fri optisk biosensor basert på et nanostrukturerte porøst Si er utformet for rask lagring og påvisning av Escherichia coli K12 bakterie, som en modell mikroorganisme. Biosensoren er avhengig av direkte binding av mål-bakterieceller på sin overflate, mens ingen forbehandling (eksempel ved cellelyse) av den undersøkte prøven er nødvendig. En mesoporøst Si tynn film benyttes som den optiske transducer-element av biosensor. Under hvitt lys belysning, viser porøse laget godt løst Fabry-Perot linjemønstre i sin refleksjon spektrum. Bruk av en hurtig Fourier-transform (FFT) til refleksjon data resulterer i en enkelt topp. Endringer i intensiteten av FFT peak overvåkes. Således target bakterier fange inn på biosensor overflate, gjennom antistoff-antigen-vekselvirkninger, induserer målbare endringer i intensiteten av FFT toppene, slik at for en "sanntids" observasjon av bakterier feste.
nt "> Den mesoporøst Si film, fremstilt av en elektrokjemisk prosess anodisering, er konjugert med monoklonale antistoffer, spesifikke for mål-bakterier. Immobiliseringen, immunoactivity og spesifisitet av antistoffene blir bekreftet av fluorescerende merkingseksperimenter. Når biosensor er utsatt for mål-bakterier, blir cellene direkte tatt ut på antistoff-modifiserte, porøst Si overflate. disse spesifikke fange arrangement resultere i intensitetsendringer i den tynne filmen optisk interferens-spektrum for biosensor. Vi demonstrerer at slike biosensorer kan detektere relativt lave bakteriekonsentrasjoner (deteksjon grense på 10 4 celler / ml) på mindre enn en time.Tidlig og nøyaktig identifisering av sykdomsfremkallende bakterier er ekstremt viktig for mat og vann sikkerhet, miljøovervåkning, og point-of-care diagnostikk en. Som tradisjonelle mikrobiologi teknikker er tidkrevende, arbeidskrevende, og mangler evnen til å oppdage mikroorganismer i "real-time" eller utenfor laboratoriemiljø, er biosensorer utvikling for å møte disse utfordringene 2-5.
I de senere årene har porøse Si (PSI) dukket opp som en lovende plattform for design av sensorer og biosensorer 6-20. I løpet av det siste tiåret en rekke studier om PSI-baserte optiske sensorer og biosensorer ble publisert 21,22. Den nanostrukturerte psi laget er typisk fremstilt ved elektrokjemisk anodisk etsing av en enkelt-krystall Si wafer. De resulterende PSI nanomaterialer utviser mange fordelaktige egenskaper, for eksempel stor overflate og gratis volum, pore størrelser som kan kontrolleres og tunbare optical egenskaper 10,16. De optiske egenskapene av PSI-lag, for eksempel photoluminescence 8,11 og hvitt lysrefleksjon basert interferometri 7,19, er sterkt påvirket av miljøforhold. Fangst av gjestemolekyler / target analytter innenfor de porøse lag resulterer i en forandring i den gjennomsnittlige brytningsindeksen for filmen, observert som en modulasjon i photoluminescence spektrum eller som et bølgelengdeskifte i reflektivitet spektrum 10..
Selv om de aller innovasjon i PSI optisk biosensor teknologi, det er bare få rapporter om PSI-baserte plattformer for bakterier deteksjon 6,8,20,23-29. I tillegg har de fleste av disse proof-of-concept studier viste "indirekte" bakterier deteksjon. Således er generelt før lysis av cellene som kreves for å trekke ut de målrettede protein / DNA-fragmenter, karakteristiske for de studerte bakterie 29. Vår tilnærming er å direkte fange målet bakterierceller bort på Psi biosensor. Derfor er monoklonale antistoffer som er spesifikke for målet bakterier, immobilisert på den porøse overflate. Binding av bakterieceller, via antistoff-antigen-vekselvirkninger, på overflaten av en biosensor indusere endringer i amplitude (intensiteten) av reflektivitet spektrum 24-26.
I dette arbeidet, kan vi rapportere om bygging av en optisk PSI-baserte biosensor og demonstrere sin søknad som en etikett fritt biosensing plattform for påvisning av Escherichia coli (E. coli) K12 bakterier (som brukes som modell mikroorganisme). Den overvåkes optiske signalet er lyset som reflekteres fra psi nanostrukturen på grunn av Fabry-Perot-tynnfilminterferens (figur 1A). Endringer i lys amplitude / intensitet er korrelert til spesifikk immobilisering av mål-bakterieceller på biosensor overflate, noe som muliggjør hurtig påvisning og kvantifisering av bakterier.
En etikett-fri optisk immunosensor, basert på et PSiO 2 nanostrukturen (et Fabry-Perot tynn film) blir fremstilt, og dets potensielle anvendbarhet som en biosensor for deteksjon bakterier er bekreftet.
Modifikasjoner og feilsøking
Et av de store problemer ved utforming av en immunosensor er mottakelighet av antistoffer til å gjennomgå uønskede endringer i konformasjon under avsetning og mønstring på det faste substrat, noe som kan føre til en redu…
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble støttet av Israel Science Foundation (stipend nr. 1118/08 og stipend nr. 1146/12) og Minna Kroll Memorial forskningsfond. ES erkjenner takknemlig økonomisk støtte fra Russell Berrie Nanoteknologi Institute.
Name of Reagent/Material | Company | Catalog Number | Comments |
Si wafer | Siltronix Corp. | Highly-B-doped, p-type, 0.0008 Ω-cm resistivity, <100> oriented | |
Aqueous HF (48%) | Merck | 101513 | |
Ethanol absolute | Merck | 818760 | |
PBS buffer solution (pH 7.4) | prepared by dissolving 50 mM Na2HPO4, 17 mM NaH2PO4, and 68 mM NaCl in Milli-Q water (18.2 MΩ) | ||
Saline 0.85% w/v | prepared by dissolving 0.85 g NaCl in 100 ml Milli-Q water (18.2 MΩ) | ||
95% (3-Mercaptopropyl)trimethoxysilane (MPTS) | Sigma Aldrich Chemicals | 175617 | |
PEO-iodoacetyl biotin | Sigma Aldrich Chemicals | B2059 | |
Streptavidin (SA) | Jackson ImmunoResearch Labs Inc. | 016-000-114 | |
Fluorescein (DTAF)-streptavidin | Jackson ImmunoResearch Labs Inc. | 016-010-084 | |
Biotinylated-rabbit IgG | Jackson ImmunoResearch Labs Inc. | 011-060-003 | |
Fluorescently tagged anti-rabbit IgG | Jackson ImmunoResearch Labs Inc. | 111-095-003 | |
Fluorescently tagged anti-mouse IgG | Jackson ImmunoResearch Labs Inc. | 115-095-003 | |
Biotinylated E. coli antibody | Jackson ImmunoResearch Labs Inc. | 1007 | |
E. coli (K-12) | was generously supplied by Prof. Sima Yaron, Technion |