Name: optical detection of e. coli bacteria by mesoporous silicon biosensors
Uploaded: 2013-11-20T17:00:00
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Questo lavoro è stato sostenuto dalla Science Foundation Israele (concessione n ° 1118-1108 e concessione n ° 1146/12) e il Minna Kroll Memorial Fund Research. ES riconosce con gratitudine il sostegno finanziario del Russell Berrie Nanotechnology Institute.

1. Preparazione di Oxidized poroso SiO 2 <ol><li> Etch wafer di silicio (singolo lato lucido in &lt;100&gt; viso e pesantemente drogato, di tipo p, 0.0008 Ω · cm) in una soluzione 03:01 (v / v) di HF acquosa ed etanolo assoluto per 30 secondi a una corrente costante densità di 385 mA / cm 2. Si prega di notare che la HF è un liquido altamente corrosivo e deve essere maneggiato con estrema cura. </li><li> Risciacquare la superficie del risultante Si (PSI) pellicola porosa con etanolo assoluto ...

<ol>
	<li>Velusamy, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+overview+of+foodborne+pathogen+detection:+In+the+perspective+of+biosensors.">An overview of foodborne pathogen detection: In the perspective of biosensors.</a> Biotechnol. Adv. 28 (2), 232-23 (2010).</li><li>Doyle, M. P., Beuchat, L. R., Montville, T. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Food Microbiol.: Fundamentals and Front. 2, (2001).</li><li>Radke, S. M., Alocilja, E. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+microfabricated+biosensor+for+detecting+foodborne+bioterrorism+agents.">A microfabricated biosensor for detecting foodborne bioterrorism agents.</a> IEEE Sens. J. 5 (4), 744 (2005).</li><li>Glynn, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Current+and+emerging+molecular+diagnostic+technologies+applicable+to+bacterial+food+safety.">Current and emerging molecular diagnostic technologies applicable to bacterial food safety.</a> Int. J. of Dairy Technol. 59 (2), 126 (2006).</li><li>Leonard, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Advances+in+biosensors+for+detection+of+pathogens+in+food+and+water.">Advances in biosensors for detection of pathogens in food and water.</a> Enzyme Microb. Technol. 32 (1), 3 (2003).</li><li>Alvarez, S. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Using+a+porous+silicon+photonic+crystal+for+bacterial+cell-based+biosensing.">Using a porous silicon photonic crystal for bacterial cell-based biosensing.</a> Physica Status Solidi a-Applications and Materials Science. 204 (5), 1439 (2007).</li><li>Archer, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrical+porous+silicon+microarray+for+DNA+hybridization+detection.">Electrical porous silicon microarray for DNA hybridization detection.</a> Micro- and Nanosystems. 782, 385 (2004).</li><li>Chan, S., Horner, S. R., Fauchet, P. M., Miller, B. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Identification+of+Gram+Negative+Bacteria+Using+Nanoscale+Silicon+Microcavities.">Identification of Gram Negative Bacteria Using Nanoscale Silicon Microcavities.</a> J. Am. Chem. Soc. 123, 11797 (2001).</li><li>Dancil, K. -. P. S., Greiner, D. P., Sailor, M. J., Canham, L. T., Sailor, M. J., Tanaka, K., Tsai, C. 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Soc. 127 (33), 11636 (2005).</li><li>Pacholski, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reflective+Interferometric+Fourier+Transform+Spectroscopy:+A+Self-Compensating+Label-Free+Immunosensor+Using+Double-layers+of+Porous+SiO2.">Reflective Interferometric Fourier Transform Spectroscopy: A Self-Compensating Label-Free Immunosensor Using Double-layers of Porous SiO2.</a> J. Am. Chem. Soc. 128, 4250 (2006).</li><li>Sailor, M. J., Link, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Smart+Dust:+nanostructured+devices+in+a+grain+of+sand.">Smart Dust: nanostructured devices in a grain of sand.</a> Chem. Comm. , 1375 (2005).</li><li>Schwartz, M. P., Alvarez, S. D., Sailor, M. 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Chem. 83 (9), 3282-32 (2011).</li><li>Massad-Ivanir, N., Shtenberg, G., Zeidman, T., Segal, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Construction+and+characterization+of+porous+SiO2/hydrogel+hybrids+as+optical+biosensors+for+rapid+detection+of+bacteria.">Construction and characterization of porous SiO2/hydrogel hybrids as optical biosensors for rapid detection of bacteria.</a> Adv Funct Mater. 20 (14), 2269-22 (2010).</li><li>Mathew, F. P., Alocilja, E. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Porous+silicon-based+biosensor+for+pathogen+detection.">Porous silicon-based biosensor for pathogen detection.</a> Biosens. Bioelectron. 20 (8), 1656 (2005).</li><li>Ouyang, H., Archer, M., Fauchet, P. 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W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Genetic+engineering+of+a+single-chain+antibody+fragment+for+surface+immobilization+in+an+optical+biosensor.">Genetic engineering of a single-chain antibody fragment for surface immobilization in an optical biosensor.</a> Biosensors and Bioelectronics. 13 (3-4), 305 (1998).</li><li>Saerens, D., Huang, L., Bonroy, K., Muyldermans, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Antibody+Fragments+as+Probe+in+Biosensor+Development.">Antibody Fragments as Probe in Biosensor Development.</a> Sensors. 8 (8), 4669 (2008).</li><li>Shtenberg, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Picking+up+the+Pieces:+A+Generic+Porous+Si+Biosensor+for+Probing+the+Proteolytic+Products+of+Enzymes.">Picking up the Pieces: A Generic Porous Si Biosensor for Probing the Proteolytic Products of Enzymes.</a> Anal. 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H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rapid+and+label-free+bacteria+detection+by+surface+plasmon+resonance+(SPR)+biosensors.">Rapid and label-free bacteria detection by surface plasmon resonance (SPR) biosensors.</a> Biotechn J. 4 (7), 1003 (2009).</li><li>Skottrup, P. D., Nicolaisen, M., Justesen, A. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Towards+on-site+pathogen+detection+using+antibody-based+sensors.">Towards on-site pathogen detection using antibody-based sensors.</a> Biosens. Bioelectron. 24 (3), 339 (2008).</li><li>Taylor, A. 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Un immunosensor ottico privo di etichetta, basato su un PSIO 2 nanostruttura (un film sottile Fabry-Perot) è fabbricato, e il suo potenziale applicabilità come un biosensore per la rilevazione batteri è confermato. Modifiche e risoluzione dei problemi Uno dei principali problemi durante la progettazione di immunosensor è la suscettibilità di anticorpi a subire cambiamenti di conformazione indesiderati durante la deposizione e patterning sul substrato...

Precoce ed accurata identificazione di batteri patogeni è estremamente importante per la sicurezza degli alimenti e l&#39;acqua, il monitoraggio ambientale e diagnostica 1 point-of-care. Come le tecniche di microbiologia tradizionali sono molto tempo, laborioso, e non hanno la capacità di rilevare i microrganismi in &quot;real-time&quot; o al di fuori dell&#39;ambiente di laboratorio, biosensori stanno evolvendo per rispondere a queste sfide 2-5. Negli ultimi anni, poroso Si (PSI) è emerso come una piattaforma promettente per la progettazione di sensori e biosensori 6-20. Negli ultimi dieci anni sono stati pubblicati numerosi studi in materia di sensori e biosensori ottici basati psi 21,22. Lo strato nanostrutturati PSi è tipicamente fabbricata elettrochimica anodica incisione da un singolo cristallo di wafer di silicio. I nanomateriali PSi risultanti presentano molte caratteristiche vantaggiose, come la grande superficie e volume libero, poro misure che possono essere controllati e sintonizzabile optiproprietà cal 10,16. Le proprietà ottiche dello strato Psi, quali fotoluminescenza 8,11 e luce bianca a base di riflettanza-interferometria 7,19, sono fortemente influenzati dalle condizioni ambientali. Cattura di giudizi analiti molecole / destinazione entro i risultati strato poroso in una variazione dell&#39;indice di rifrazione medio del film, osservato come una modulazione nello spettro di fotoluminescenza o come uno spostamento della lunghezza d&#39;onda nello spettro di riflettività 10. Anche se la grande innovazione nella tecnologia PSi biosensore ottico, ci sono solo pochi rapporti sulle piattaforme basate PSI-per i batteri rilevamento 6,8,20,23-29. Inoltre, la maggior parte di questi studi proof-of-concept hanno dimostrato di rilevamento &quot;indiretta&quot; dei batteri. Così, generalmente prima lisi delle cellule è necessario per estrarre i frammenti di proteine ​​/ DNA mirati, caratteristici per i batteri studiati 29. Il nostro approccio è quello di acquisire direttamente i batteri bersagliocellule su il biosensore psi. Pertanto, gli anticorpi monoclonali, che sono specifici per i batteri bersaglio, sono immobilizzati sulla superficie porosa. Il legame di cellule di batteri, tramite interazioni anticorpo-antigene, sulla superficie del biosensore indurre variazioni di ampiezza (intensità) dello spettro di riflettività 24-26. In questo lavoro, si segnala la costruzione di un biosensore basato PSI-ottica e dimostrare la sua applicazione come una piattaforma di biosensori privo di etichetta per la ricerca di Escherichia coli (E. coli), batteri K12 (utilizzati come modello microrganismo). L&#39;monitorato segnale ottico è la luce riflessa dalla nanostruttura PSi causa di Fabry-Perot interferenze film sottile (Figura 1A). Cambiamenti nella luce ampiezza / intensità sono correlati alla specifica immobilizzazione delle cellule dei batteri bersaglio sulla superficie biosensore, consente il rilevamento rapido e quantificazione dei batteri.

<table border="1">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Name of Reagent/Material</td>
			<td>Company</td>
			<td>Catalog Number</td>
			<td>Comments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Si wafer</td>
			<td>Siltronix Corp.</td>
			<td></td>
			<td>Highly-B-doped, p-type, 0.0008 &#937;-cm resistivity, &#60;100&#62; oriented</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aqueous HF (48%)</td>
			<td>Merck</td>
			<td>101513</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethanol absolute</td>
			<td>Merck</td>
			<td>818760</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PBS buffer solution (pH 7.4)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>prepared by dissolving 50 mM Na2HPO4, 17 mM NaH2PO4, and 68 mM NaCl in Milli-Q water (18.2 M&#937;)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Saline 0.85% w/v</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>prepared by dissolving 0.85 g NaCl in 100 ml Milli-Q water (18.2 M&#937;)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>95% (3-Mercaptopropyl)trimethoxysilane (MPTS)</td>
			<td>Sigma Aldrich Chemicals</td>
			<td>175617</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PEO-iodoacetyl biotin</td>
			<td>Sigma Aldrich Chemicals</td>
			<td>B2059</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Streptavidin (SA)</td>
			<td>Jackson ImmunoResearch Labs Inc.</td>
			<td>016-000-114</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fluorescein (DTAF)-streptavidin</td>
			<td>Jackson ImmunoResearch Labs Inc.</td>
			<td>016-010-084</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Biotinylated-rabbit IgG</td>
			<td>Jackson ImmunoResearch Labs Inc.</td>
			<td>011-060-003</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fluorescently tagged anti-rabbit IgG</td>
			<td>Jackson ImmunoResearch Labs Inc.</td>
			<td>111-095-003</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fluorescently tagged anti-mouse IgG</td>
			<td>Jackson ImmunoResearch Labs Inc.</td>
			<td>115-095-003</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Biotinylated E. coli antibody</td>
			<td>Jackson ImmunoResearch Labs Inc.</td>
			<td>1007</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>E. coli (K-12)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>was generously supplied by Prof. Sima Yaron, Technion</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

optical detection of e. coli bacteria by mesoporous silicon biosensors

<html> Un biosensore ottico privo di etichetta basato su un poroso nanostrutturato Si è progettato per acquisizione rapida e rilevamento di batteri Escherichia coli K12, come modello microrganismo. Il biosensore deduce legame diretto delle cellule dei batteri bersaglio sulla sua superficie, mentre non è necessario alcun pretrattamento (ad esempio mediante lisi cellulare) del campione studiato. Un film sottile mesoporosi Si è utilizzato come elemento trasduttore ottico del biosensore. Sotto illuminazione a luce bianca, lo strato poroso mostra ben risolti, i modelli frange Fabry-Perot nel suo spettro di riflessione. L&#39;applicazione di una trasformata veloce di Fourier (FFT) per i risultati dei dati di riflettività in un unico picco. Variazioni dell&#39;intensità del picco FFT sono monitorati. Così, batteri bersaglio catturare sulla superficie biosensore, attraverso interazioni anticorpo-antigene, induce cambiamenti misurabili nell&#39;intensità dei picchi FFT, consentendo un osservazione &#39;tempo reale&#39; di attaccamento batteri. nt &quot;&gt; Il film di Si mesoporosi, fabbricato da un processo di anodizzazione elettrochimica, è coniugato con anticorpi monoclonali, specifici per i batteri bersaglio. L&#39;immobilizzazione, immunoactivity e specificità degli anticorpi sono confermati da esperimenti di marcatura fluorescente. Dopo il biosensore è esposto al batteri bersaglio, le cellule sono direttamente catturati sulla superficie porosa Si anticorpi modificati. Questi eventi di cattura specifici producono variazioni di intensità del film sottile spettro interferenza ottico del biosensore. Abbiamo dimostrato che questi biosensori possono rilevare relativamente basse concentrazioni batteriche (rilevamento limite di 10 4 cellule / ml) in meno di un&#39;ora.

PSi ossidato (2) PSIO film sono preparati come descritto nella sezione Text protocollo. Figura 1B mostra una ad alta risoluzione al microscopio elettronico a scansione della pellicola PSi risultante dopo ossidazione termica. Lo strato PSIO 2 è caratterizzata da pori cilindrici ben definiti con un diametro nell&#39;intervallo di 30-80 nm. L&#39;anticorpo monoclonale (IgG) molecole si innestano sulle PSIO 2 superfici utilizzando una tecnologia...

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Optical Detection of E. coli Bacteria by Mesoporous Silicon Biosensors

Viene introdotto un biosensore ottico privo di etichetta per il rilevamento di batteri rapidi. Il biosensore è basato su poroso nanostrutturato Si, che è stato progettato per catturare direttamente le cellule dei batteri bersaglio sulla sua superficie. Usiamo anticorpi monoclonali, immobilizzati sul trasduttore poroso, come le sonde di cattura. I nostri studi dimostrano l&#39;applicabilità di questi biosensori per il rilevamento di concentrazioni batteriche basse in pochi minuti, senza trasformazione campione prima (come lisi cellulare).

Rilevamento ottico di<em&gt; E. coli</em&gt; Batteri di mesoporosi 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 ...

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Optical Detection of E. coli Bacteria by Mesoporous Silicon Biosensors

Fabrication of Electrochemical-DNA Biosensors for the Reagentless Detection of Nucleic Acids, Proteins and Small Molecules

Fabbricazione di elettrochimica-DNA biosensori per il rilevamento Reagentless di acidi nucleici, proteine ​​e piccole molecole

As medicine is currently practiced, doctors send specimens to a central laboratory for testing and thus must wait hours or days to 
receive the results. ...

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Bioingegneria

A Cre-Lox P Recombination Approach for the Detection of Cell Fusion In Vivo

A Cre-Lox P Recombination Approach for the Detection of Cell Fusion In Vivo

Un Cre-Lox P approccio ricombinazione per la rilevazione di fusione cellulare In Vivo</em

The ability of two or more cells of the same type to fuse has been utilized in metazoans throughout evolution to form many complex organs, including ...

Attaching Biological Probes to Silica Optical Biosensors Using Silane Coupling Agents

Collegamento sonde biologiche ai biosensori ottici che utilizza silice agenti di accoppiamento silanici

In order to interface with biological environments, biosensor platforms, such as the popular Biacore system (based on the Surface Plasmon Resonance (SPR) ...

Analyzing Cellular Internalization of Nanoparticles and Bacteria by Multi-spectral Imaging Flow Cytometry

Analizzando internalizzazione cellulare di nanoparticelle e batteri da Multi-spettrale Citometria a Flusso Imaging

Nanoparticulate  systems have emerged as valuable tools in vaccine delivery through their  ability to efficiently deliver cargo, including proteins, to ...

Biosensor for Detection of Antibiotic Resistant Staphylococcus Bacteria

Biosensori per il rilevamento di antibiotici batteri di stafilococco resistenti

A structurally transformed lytic bacteriophage having a broad host range of Staphylococcus aureus strains and a penicillin-binding protein (PBP 2a) ...

Use of Label-free Optical Biosensors to Detect Modulation of Potassium Channels by G-protein Coupled Receptors

L&#39;uso di biosensori ottici privi di etichetta per rilevare modulazione dei canali del potassio da G-recettori accoppiati a proteine

Ion channels control the electrical properties of neurons and other excitable cell types by selectively allowing ions to flow through the plasma ...

Nanomanipulation of Single RNA Molecules by Optical Tweezers

Nanomanipolazione di Single RNA Molecole da pinzette ottiche

A large portion of the human genome is transcribed but not translated. In this post genomic era, regulatory functions of RNA have been shown to be ...

Label-free Single Molecule Detection Using Microtoroid Optical Resonators

Singola molecola di rilevamento senza etichetta di testo usando Microtoroid ottici Risonatori

Detecting small concentrations of molecules down to the single molecule limit has impact on areas such as early detection of disease, and fundamental ...

Multicolor Fluorescence Detection for Droplet Microfluidics Using Optical Fibers

Multicolore fluorescenza Detection per Droplet microfluidica tramite fibre ottiche

Fluorescence assays are the most common readouts used in droplet microfluidics due to their bright signals and fast time response. Applications such as ...