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Method Article
Biosensoren Verbindung mit komplexen, biologischen Umgebungen und führen gezielte Erkennung durch die Kombination von hochempfindlichen Sensoren mit sehr spezifischen Sonden, die an dem Sensor über Oberflächenmodifizierung. Hier zeigen wir die Funktionalisierung der Oberfläche von Silica optische Sensoren mit Biotin mit Silankupplungsmittel, um den Sensor und die biologische Umwelt zu überbrücken.
Zur Schnittstelle mit biologischen Umgebungen, Biosensor-Plattformen, wie die beliebten Biacore-System (basierend auf der Surface Plasmon Resonance (SPR)-Technik), nutzen verschiedene Techniken Oberflächenmodifizierung, die zum Beispiel verhindern kann Oberflächenverschmutzung, stimmen die Hydrophobie / Hydrophilie der Oberfläche, auf eine Vielzahl von elektronischen Umgebungen anzupassen, und am häufigsten, induzieren Spezifität gegenüber einem Ziel von Interesse. 5.1 Diese Techniken erweitern die Funktionalität von sonst hoch empfindliche Biosensoren zu realen Anwendungen in komplexen Umgebungen, wie z. wie Blut, Urin, Abwasser und Analyse. 2,6-7 Während kommerzielle Biosensorik Plattformen wie Biacore, gut verstanden haben, Standard-Techniken zur Durchführung solcher Oberflächenmodifikationen, haben diese Techniken nicht in standardisierter Form wurden auf andere übersetzte Bezeichnung- frei Biosensorik Plattformen wie Whispering Gallery Mode (WGM) optischen Resonatoren. 9.8 < / P>
WGM optischen Resonatoren stellen eine vielversprechende Technologie für die Durchführung markierungsfreie Detektion einer Vielzahl von Arten, bei extrem niedrigen Konzentrationen 6,10-12 Die hohe Empfindlichkeit dieser Plattformen ist ein Ergebnis ihrer einzigartigen geometrischen Optik:. WGM optischen Resonatoren beschränken zirkulierenden . Licht an speziellen, Resonanzfrequenzen 13 Wie der SPR-Plattformen wird das optische Feld nicht völlig mit der Sensoreinrichtung beschränkt, sondern evanesces; diese "evaneszenten" kann dann mit Arten, die in der Umgebung zu interagieren. Diese Wechselwirkung führt zu dem effektiven Brechungsindex des optischen Feldes zu verändern, was zu einer leichten, aber nachweisbare, der Resonanzfrequenz der Vorrichtung zu verschieben. Da der optische Bereich zirkuliert, kann er viele Male mit der Umwelt interagieren, was zu einer inhärenten Verstärkung des Signals, und eine sehr hohe Empfindlichkeiten zu geringfügigen Änderungen in der Umwelt. 2,14-15 Zelt "> Zur gezielten Erkennung in komplexen Umgebungen ausführen zu können, müssen diese Plattformen mit einer Sonde Molekül (in der Regel die Hälfte eines Bindepaares, z. B. Antikörper / Antigene) durch Oberflächenmodifizierung. 2 gekoppelt werden zwar WGM optischen Resonatoren in mehreren Geometrien hergestellt werden können, von eine Vielzahl von Materialsystemen, ist das Silika Mikrokügelchen die häufigste. Diese Mikrokügelchen werden in der Regel am Ende einer optischen Faser, die einen "Stamm", mit dem die Mikrokügelchen bei der Funktionalisierung und Detektion Versuche gehandhabt werden kann, gibt hergestellt. Silica Oberflächenchemie kann Anwendung an Sondenmoleküle an deren Oberflächen zu befestigen, jedoch sind traditionelle Techniken zur ebenen Substraten erzeugt wurden, oft nicht für diese dreidimensionalen Strukturen ausreichend, da Änderungen an der Oberfläche der Mikrosphären (Staub, Schmutz, Oberflächendefekte und unebene Beschichtungen) kann schwerwiegende negative Folgen für ihre Erkennung Fähigkeiten haben. Hier zeigen wir einen einfachen Ansatzfür die Funktionalisierung der Oberfläche von Siliciumdioxid-Mikrokügelchen WGM optischen Resonatoren mit Silankupplungsmittel, um die anorganischen Oberfläche und die biologische Umwelt zu überbrücken, durch das Anbringen Biotin an die Silica-Oberfläche. 8,16 Obwohl wir verwenden Kieselsäure Mikrosphäre WGM-Resonatoren als Sensor-System in diesem Bericht, die Protokolle allgemein und kann verwendet werden, um die Oberfläche jedes Siliciumdioxid Vorrichtung mit Biotin zu funktionalisieren.
1. Hintergrund
Das Biotin ist an der Oberfläche dieser Geräte durch eine einfache Drei-Schritt-Verfahren (1) befestigt ist. Zuerst reinigen wir die Oberfläche und füllen Sie es mit Hydroxyl-Gruppen, indem die Geräte entweder Sauerstoff-Plasma oder Piranha-Lösung. Zweitens verwenden wir Dampfabscheidung, um das Silan-Kupplungsmittel mit einem primären Amin zu den Hydroxylgruppen durch Hydrolyse und Kondensation Reaktion beendet befestigen. Drittens legen wir Biotin an die Oberfläche über N-Hydroxysuccinimid (NHS)-Ester Chemie. Wir weisen den interessierten Leser zu unserer bisherigen Arbeit für mehr Informationen über die Entwicklung dieser Techniken, sowie eine Erklärung der unsere Motivation für die Wahl dieser Techniken. 8
Der Erfolg dieser Reaktionen kann durch optische und Fluoreszenzmikroskopie nach der Zugabe des primären Amins ausgewertet werden, als auch nach der Zugabe des Biotin. Während optische microscopy verwendet werden, um festzustellen, ob die Funktionalisierung der Oberfläche Protokolle in Folge Schäden zur Oberfläche der Mikrokugeln, oder Verunreinigungen, die Fluoreszenz-Mikroskopie verwendet werden, um die Qualität und Gleichmäßigkeit der Flächendeckung des Biotin-Molekül zu überprüfen sowie die Fähigkeit des Biotin auf die Oberfläche mit (Strept) Avidin binden. Um die Abdeckung von Aminen auf der Oberfläche zu beurteilen, verwendeten wir Fluoresceinisothiocyanat (FITC) Fluoreszenz-Farbstoff, die mit primären Aminen reagiert, um stabile, kovalente Thioharnstoffbindung der Mikrosphären zu bilden. Texas Red Fluoreszenzfarbstoff konjugiert an Avidin hat, verwendet wird, um die Biotin-Gruppen auf der Oberfläche durch die Biotin-Avidin-Wechselwirkung kennzeichnen. In beiden Fällen wurden Farbstoffe gewählt, die in Wechselwirkung treten kann (entweder durch Rezeptor-Ligand-Wechselwirkungen oder kovalente Bindung) mit den funktionellen Gruppen auf der Oberfläche.
Hier stellt das Silan-Kupplungsmittel, das drei Abgangsgruppen und eine funktionelle Gruppe hat, die Brücke Wetteschen dem anorganischen und organischen Oberfläche Sondenmolekül. Das primäre Amin-Funktionalität reagiert quantitativ mit NHS-Ester, stabile Amidbindungen zu bilden. In diesem Fall verwenden wir eine Biotin-Sondenmolekül, deren Valeriansäure Seitenkette mit einem NHS-Ester modifiziert sind. Realistisch einem Sondenmolekül, dem ein NHS-Ester-Gruppe kann an der Oberfläche mit den folgenden Protokollen zugesetzt werden. Zusätzlich sind diese Protokolle allgemein und kann mit einer beliebigen Vorrichtung Siliciumdioxid mit Biotin zu funktionalisieren.
Die größte Herausforderung mit diesen Protokollen ist tatsächlich nicht in der Chemie selbst, sondern in der Handhabung der Siliciumdioxid-Mikrokugeln. Bitte beachten Sie, dass überall in den Protokollen, die Mikrokugeln durch grapsing ihre Stiele leicht mit scharfer Spitze Pinzette behandelt werden sollen. Dies hält die Pinzette weit weg von den Mikrosphären selbst, und ermöglicht den einfachen Transport zwischen den Schritten. Viele Schritte im Protokoll unten sind speziell darauf ausgerichtet, diese Tatsache zu adressierenoder.
2. Microsphere Fabrication
3. Füllen Sie die Oberfläche mit Hydroxylgruppen
4. Anbringen Silane Coupling Agents an die Oberfläche
5. Anbringen Biotin an die Oberfläche
6. Fluoreszenzmarkierung von Amin-terminierten Siliciumdioxid
7. Fluoreszenzmarkierung von Biotin-terminierten Siliciumdioxid
8. Repräsentative Ergebnisse
Korrekt funktionalisiert Mikrosphäres kann durch optische und Fluoreszenzmikroskopie identifiziert werden. Wenn der Funktionalisierung von Oberflächen richtig gemacht wird, sollte es in einer gleichmäßig dichten Abdeckung der Biotin-Moleküle auf der Oberfläche zur Folge haben, und die Oberfläche sollte bleiben Defekt-und Schadstoff-frei nach der Funktionalisierung, um ihre hohe Empfindlichkeiten bei der Detektion Experimente zu erhalten. Optische Mikroskopie kann die letztere zu sondieren, während die Fluoreszenz-Mikroskopie, die Qualität und Einheitlichkeit der Flächendeckung Sonde kann. In Abbildung 2 zeigen wir Beispiele für korrekt funktionalisierten Mikrosphären. Diese Bilder zeigen, dass es keine Beschädigung der Oberfläche Verunreinigung durch Funktionalisierung (2a), und daß die Mikrokugeln eine einheitliche und konsistente Abdeckung entweder Amingruppen (2b) oder Biotin-Gruppen (2c) für auf der Oberfläche .
Wenn die Mikrosphären nicht korrekt funktionalisiert worden, die optische Bilder Mikrosphäre will Oberflächenkontamination, Verklumpung oder ungleichmäßige Deckung, und offensichtliche Mängel in der Oberfläche, wie Oberflächenrisse (Abbildung 3) zeigen. Hier sehen wir ein typisches Beispiel für Oberflächenkontamination, die sich aus Verklumpung von Reagenzien auf der Oberfläche.
1. 3-Schritt Reaktionsschema zur Befestigung Sondenmoleküle auf die Oberfläche des Siliciumdioxid-Mikrokugeln. Hier klicken, um größere Zahl kommen .
2. Silica-Mikrokugeln. a) Lichtmikroskopische Aufnahme von Silica-Mikrokugeln mit Hydroxyl-Gruppen durch Einwirkung von Sauerstoff-Plasma bevölkert; b) Fluoreszenz-Aufnahme von Silica-Mikrokugeln mit primären Aminen besiedelt und markiert mit FITC Farbstoff; c) Fluoreszenz-Aufnahme von Kieselsäure microsphere mit Biotin besiedelt und markiert mit Texas-Rot-Avidin-Konjugat. Nachdruck mit Genehmigung aus Soteropulos, AM CE, Hunt, HK & Armani, Bestimmung von Bindungskinetiken mit Whispering Gallery-Modus Mikrokavitäten. Appl. Phys. Lett. 99, 103.703 bis 103.703 (2011). Copyright 2011, American Institute of Physics. 17
Abbildung 3. Lichtmikroskopische Aufnahme unsachgemäß funktionalisiert Sphäre. Hier können Sie Staub auf der Oberfläche sehen, oben rechts, sowie Verunreinigungen von der Oberfläche erstreckt. Darüber hinaus zeigt die rechte Seite des optischen Mikrokügelchen einen kleinen Divot auf der Oberfläche.
Wie in den Protokollen beschrieben, haben wir eine Plattform, mit dem Gehäuse, um den Silica-Mikrokugeln durch ihre Stämme zu transportieren in der gesamten Prozess-Funktionalisierung. Dieses Gehäuse Plattform wurde als Lösung auf die Oberfläche Verschmutzung und Beschädigung, die aus der Mikrokügelchen in Kontakt mit den Wänden der verschiedenen Behälter während der Funktionalisierung verwendet in Folge erstellt. Wir erkannten die größte Schwierigkeit ergab sich aus ständig Befestigen und Lösen einzelner ...
Keine Interessenskonflikte erklärt.
Die Autoren danken Prof. Andrea Armani an der University of Southern California für die Unterstützung während der Zeit, dieses Protokoll entwickelt wurde. Die Finanzierung für die anfängliche Entwicklung dieser Arbeit wurde von der National Science Foundation zur Verfügung gestellt [085281 und 1028440] und dem National Institute of Health NIH durch New Innovator Regiepreis Programm [1DP2OD007391-01]. Weitere Informationen erhalten Sie bei http://web.missouri.edu/ hunthk ~ / .
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Name des Reagenzes | Firma | Katalog-Nummer | Kommentare |
Methanol | Fischer | 67-56-1 | ACS-Qualität |
Schwefelsäure | Fischer | 8014-95-7 | Wütend |
Wasserstoffperoxid | Fischer | 7722-84-1 | 30 Gew.% |
Aminopropyltrimethoxysilan | Fischer | 13822-56-5 | |
NHS-Biotin EZ Linker | Durchstechen | 20217 | |
Dimethylsulfoxid | Fischer | 67-68-5 | Wasserfrei |
Fluoresceinisothiocyanat | Durchstechen | 46425 | |
Phosphate Buffered Saline | Fischer | 7647-14-5 | Pulver-Konzentrat |
Natriumbicarbonatpuffer | Fischer | NC0099321 | |
Texas Red - Avidin-Konjugat | Durchstechen | A820 | |
Optical Fiber | Newport | F-SC | |
Fiber Stripper | Fiber-Vertrieb | NN-175 | No-Nik Stripper 175 UM |
Kimwipes | Fischer | 06666A | |
Bare Fiber Cleaver | Ilsintech | Cl-03A | |
Glasobjektträger | Fischer | 12-550B | |
Polypropylen-Vials | Fischer | 03 bis 341-75A | 60 ml, Klappdeckel |
Inkubation Rocker | VWR | 12620-910 | |
Vakuumexsikkator | Fischer | 08 bis 594-15B |
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