Name: label-free single molecule detection using microtoroid optical resonators
Uploaded: 2015-12-29T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Label-free Single Molecule Detection Using Microtoroid Optical Resonators at JoVE.com

This research was supported in part by a National Research Service Award (T32GM07616) from the National Institute of General Medical Sciences.

1. الإعداد التجريبي وإعداد نموذج <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> افتعال microtoroids باستخدام الطباعة الحجرية والحفر، وإجراء ذوبان كما هو موضح سابقا 6. افتعال microtoroids على رأس رقاقة السيليكون (رقاقة) التي عادة ما يكون قطرها كبير من 80-100 ميكرون، وقطرها ص...

<ol>
	<li>Lu, T., 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=High+sensitivity+nanoparticle+detection+using+optical+microcavities.">High sensitivity nanoparticle detection using optical microcavities.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 108, 5976-5979 (2011).</li><li>Su, J., Goldberg, A. F. G., Stoltz, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Label-free+detection+of+single+nanoparticles+and+biological+molecules+using+microtoroid+optical+resonators.">Label-free detection of single nanoparticles and biological molecules using microtoroid optical resonators.</a> Light: Science and Applications. , (2016).</li><li>Knight, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Single molecule biology. , (2009).</li><li>Jonsson, U., 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=Real-time+biospecific+interaction+analysis+using+surface+plasmon+resonance+and+a+sensor+chip+technology.">Real-time biospecific interaction analysis using surface plasmon resonance and a sensor chip technology.</a> BioTechniques. 11, 620-627 (1991).</li><li>Vollmer, F., Arnold, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Whispering-gallery-mode+biosensing:+label-free+detection+down+to+single+molecules.">Whispering-gallery-mode biosensing: label-free detection down to single molecules.</a> Nat. Methods. 5, 591-596 (2008).</li><li>Armani, D. K., Kippenberg, T. J., Spillane, S. M., Vahala, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultra-high-Q+toroid+microcavity+on+a+chip.">Ultra-high-Q toroid microcavity on a chip.</a> Nature. 421, 925-928 (2003).</li><li>Vahala, K. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+microcavities.">Optical microcavities.</a> Nature. 424, 839-846 (2003).</li><li>Arnold, S., Khoshsima, M., Teraoka, I., Holler, S., Vollmer, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Shift+of+whispering-gallery+modes+in+microspheres+by+protein+adsorption.">Shift of whispering-gallery modes in microspheres by protein adsorption.</a> Opt. Lett. 28, 272-274 (2003).</li><li>Vollmer, F., Arnold, S., Keng, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single+virus+detection+from+the+reactive+shift+of+a+whispering-gallery+mode.">Single virus detection from the reactive shift of a whispering-gallery mode.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 105, 20701-20704 (2008).</li><li>He, L., Ozdemir, S. K., Zhu, J., Kim, W., Yang, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Detecting+single+viruses+and+nanoparticles+using+whispering+gallery+microlasers.">Detecting single viruses and nanoparticles using whispering gallery microlasers.</a> Nat Nano. 6, 428-432 (2011).</li><li>Dantham, V. R., 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=Label-free+detection+of+single+protein+using+a+nanoplasmonic-photonic+hybrid+microcavity.">Label-free detection of single protein using a nanoplasmonic-photonic hybrid microcavity.</a> Nano Lett. 13, 3347-3351 (2013).</li><li>Baaske, M. D., Foreman, M. R., Vollmer, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-molecule+nucleic+acid+interactions+monitored+on+a+label-free+microcavity+biosensor+platform.">Single-molecule nucleic acid interactions monitored on a label-free microcavity biosensor platform.</a> Nat Nanotechnol. 9, 933-939 (2014).</li><li>Su, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Label-Free+Single+Exosome+Detection+Using+Frequency-Locked+Microtoroid+Optical+Resonators.">Label-Free Single Exosome Detection Using Frequency-Locked Microtoroid Optical Resonators.</a> ACS Photonics. (9), 1241-1245 (2015).</li><li>&#197;str&#246;m, K. J., Murray, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Feedback systems : an introduction for scientists and engineers. , (2008).</li><li>Kerssemakers, J. W., 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=Assembly+dynamics+of+microtubules+at+molecular+resolution.">Assembly dynamics of microtubules at molecular resolution.</a> Nature. 442, 709-712 (2006).</li><li>Su, T. -. 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> Label-free detection of single biological molecules using microtoroid optical resonators. , (2014).</li></ol>

كما يربط جسيم، والطول الموجي صدى (λ) للزيادات حلقي. إذا unbinds جسيم، والطول الموجي صدى النقصان تبعا ل(أ الحدث خطوة لأسفل). يمكن تحديد قطرها الجسيمات (د) عن طريق رسوم بيانية للسعة كل خطوة الطول الموجي. يختلف ارتفاع كل خطوة الطول الموجي نظرا لاختلاف حجم الجسيمات مل...

واحدة من التجارب الكشف عن جزيء مفيدة لتقليل كمية الحليلة المستخدمة في أجهزة الاستشعار، للكشف المبكر عن المرض، ودراسة الخصائص الأساسية للجزيئات 3. وعادة ما يتم إجراء مثل هذه التجارب باستخدام تسميات، ولكن التسميات ليست دائما ممكنة للحصول على بروتين معين، وزيادة التكاليف، ويمكن التشويش على الأحداث التي تجري دراستها، ويمكن أن تكون مزعجة، خاصة في الوقت الحقيقي في الموقع تجارب أو نقطة من- التشخيص الرعاية. المعيار الذهبي الحالي لتسمية خالية biosensing هو سطح مأكل بالرنين 4، ولكن النظم التجارية مأكل سطح الرنين وعادة ما يكون الحد الأدنى نموذجي للكشف على ترتيب نانومتر. في الآونة الأخيرة، ظهرت المرنانات البصرية وتكنولوجيا واعدة لتسمية خالية جزيء واحد biodetection 5. العمل مرنانات بصري على أساس طويل الأجل (م) الحبس الضوء 6،7. الضوء هو evanescentlyبالإضافة إلى هذه الأجهزة عادة عن طريق الألياف البصرية. عندما الطول الموجي للضوء يمر الألياف يطابق الطول الموجي صدى مرنان، وعلى ضوء كفاءة الأزواج إلى مرنان. على ضوء هذا بالإضافة يعكس داخليا تماما داخل تجويف مرنان لتوليد حقل زائل في المنطقة المجاورة للمحيط مرنان. كما جزيئات تدخل مجال زائل وربط للمرنان، والطول الموجي صدى التغييرات مرنان بما يتناسب مع حجم الجسيمات 8. من حيث القدرة على الكشف، وقد استخدمت في وقت سابق المرنانات microsphere للكشف عن أنفلونزا A احد جزيئات الفيروس (100 نانومتر) 9،10. في الآونة الأخيرة، وقد استخدمت المرنانات البصرية المحسنة plasmonically-microsphere للكشف عن المصل البقري واحد الألبومين جزيئات 11 و [أليغنوكليوتيد 8 مير 12، ولكن هذا النهج يحد من مجال التقاط الجسيمات إلى 0.3 ميكرون 2 في دينائب. أكبر أجهزة الاستشعار التقاط منطقة مثالية لتحقيق أقصى قدر من فرصة للكشف عن الجسيمات. تم التكنولوجيات القائمة على حل الحالية خالية من التسمية biosensing مع (&gt; 100 ميكرون 2) المناطق القبض كبيرة تقتصر على الكشف عن جزيئات البوليستيرين ≥ 25 نانومتر. قمنا بتطوير نظام biosensing خالية من التسمية على أساس تكنولوجيا مرنان البصرية المعروفة باسم التردد قفل البصرية يهمس زائل الرنان (زهرة) 13 (الشكل 1) التي هي قادرة على الكشف عن وقت حل للجزيئات واحدة في الحل. يستخدم FLOWER عمر الفوتون طويل من المرنانات البصرية microtoroid جنبا إلى جنب مع تردد تأمين مراقبة ردود الفعل، والكشف عن متوازن، والتصفية الحسابية للكشف عن جزيئات صغيرة وصولا الى جزيئات البروتين واحدة. استخدام قفل تردد يسمح للنظام لتتبع دائما صدى التحول من microtoroid كما ربط جزيئات، من دون الحاجة إلى كنس أو مسح الليزر الطول الموجي أكثرنطاقات واسعة. مبادئ FLOWER يمكن أن تستخدم لتعزيز قدرات الكشف عن تقنيات أخرى بما في ذلك تعزيز plasmonic. في ما يلي، ووصف الإجراءات لأداء FLOWER.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="396">
	<tbody>
		<tr height="20" style="height:15.0pt">
			<td class="xl63" height="20" style="height:15.0pt;width:99pt" width="132">Tunable diode laser</td>
			<td class="xl63" style="width:99pt" width="132">Newport</td>
			<td class="xl63" style="width:99pt" width="132">TLB-6300</td>
		</tr>
		<tr height="20" style="height:15.0pt">
			<td class="xl63" height="20" style="height:15.0pt;width:99pt" width="132">Laser controller</td>
			<td class="xl63" style="width:99pt" width="132">Newport</td>
			<td class="xl63" style="width:99pt" width="132">TLB-6300-LN</td>
		</tr>
		<tr height="40" style="height:30.0pt">
			<td class="xl63" height="40" style="height:30.0pt;width:99pt" width="132">Frequency locking feedback controller</td>
			<td class="xl63" style="width:99pt" width="132">Toptica Photonics</td>
			<td class="xl63" style="width:99pt" width="132">Digilock 110</td>
		</tr>
		<tr height="40" style="height:30.0pt">
			<td class="xl63" height="40" style="height:30.0pt;width:99pt" width="132">Auto-balanced photoreceiver</td>
			<td class="xl63" style="width:99pt" width="132">Newport</td>
			<td class="xl63" style="width:99pt" width="132">Model 2007</td>
		</tr>
		<tr height="40" style="height:30.0pt">
			<td class="xl63" height="40" style="height:30.0pt;width:99pt" width="132">In-line polarization controller</td>
			<td class="xl63" style="width:99pt" width="132">General Photonics</td>
			<td class="xl63" style="width:99pt" width="132">PLC-003-S-90</td>
		</tr>
		<tr height="40" style="height:30.0pt">
			<td class="xl63" height="40" style="height:30.0pt;width:99pt" width="132">24-bit data acquisition card</td>
			<td class="xl63" style="width:99pt" width="132">National Instruments</td>
			<td class="xl63" style="width:99pt" width="132">NI-PCI-4461</td>
		</tr>
		<tr height="60" style="height:45.0pt">
			<td class="xl63" height="60" style="height:45.0pt;width:99pt" width="132">Recombinant human interleukin-2</td>
			<td class="xl63" style="width:99pt" width="132">Pierce Biotechnology</td>
			<td class="xl63" style="width:99pt" width="132">R201520</td>
		</tr>
		<tr height="40" style="height:30.0pt">
			<td class="xl63" height="40" style="height:30.0pt;width:99pt" width="132">20 nm polystyrene beads</td>
			<td class="xl63" style="width:99pt" width="132">Thermo Scientific</td>
			<td class="xl63" style="width:99pt" width="132">3020A</td>
		</tr>
		<tr height="40" style="height:30.0pt">
			<td class="xl63" height="40" style="height:30.0pt;width:99pt" width="132">NanoCube XYZ Piezo Stage</td>
			<td class="xl63" style="width:99pt" width="132">Physik Instrumente</td>
			<td class="xl63" style="width:99pt" width="132">P-611.3</td>
		</tr>
		<tr height="20" style="height:15.0pt">
			<td class="xl63" height="20" style="height:15.0pt;width:99pt" width="132">Optical table</td>
			<td class="xl63" style="width:99pt" width="132">Newport</td>
			<td class="xl63" style="width:99pt" width="132">VH3660W-OPT</td>
		</tr>
		<tr height="40" style="height:30.0pt">
			<td class="xl63" height="40" style="height:30.0pt;width:99pt" width="132">Objective lens for imaging column</td>
			<td class="xl63" style="width:99pt" width="132">Navitar Machine Vision</td>
			<td class="xl64">1-60228</td>
		</tr>
		<tr height="40" style="height:30.0pt">
			<td class="xl63" height="40" style="height:30.0pt;width:99pt" width="132">Imaging column (adaptor tube)</td>
			<td class="xl63" style="width:99pt" width="132">Navitar Machine Vision</td>
			<td class="xl65">1-60228</td>
		</tr>
		<tr height="60" style="height:45.0pt">
			<td class="xl63" height="60" style="height:45.0pt;width:99pt" width="132">High-Res CCD camera for imaging column</td>
			<td class="xl63" style="width:99pt" width="132">Edmund Industrial Optics</td>
			<td class="xl64">NT39244</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

label-free single molecule detection using microtoroid optical resonators

الكشف عن تركيزات صغيرة من الجزيئات وصولا الى حد جزيء واحد له تأثير على مجالات مثل الكشف المبكر عن المرض، والدراسات الأساسية على سلوك الجزيئات. تقنيات الكشف عن جزيء واحد تستخدم عادة تسميات مثل العلامات الفلورية أو النقاط الكمومية، ومع ذلك، والعلامات غير متوفرة دائما، وزيادة التكلفة والتعقيد، ويمكن التشويش على الأحداث التي تجري دراستها. ظهرت المرنانات البصرية كوسيلة واعدة للكشف عن جزيئات واحدة دون استخدام التسميات. حاليا أصغر الجسيمات الكشف عنها بواسطة المحسن plasmonically وعدم العارية نظام مرنان البصرية في حل هو 25 نانومتر البوليسترين المجال 1. قمنا بتطوير تقنية تعرف باسم التردد قفل البصرية يهمس زائل الرنان (زهرة) التي يمكن تجاوز هذا الحد وتحقيق الكشف عن جزيء واحد خالية من التسمية في محلول مائي 2. كما موازين قوة الإشارة مع حجم الجسيمات، يمثل عملنا ل&gt; 100X تحسينهالإقليم الشمالي في إشارة إلى نسبة الضوضاء (SNR) على الدولة الراهنة للفن. هنا يتم عرض الإجراءات وراء FLOWER في محاولة لزيادة استخدامه في هذا المجال.

الجسيمات الأحداث ملزم يتم رؤيتها بوضوح عن التغيرات خطوة تشبه في الطول الموجي صدى من microtoroid على مر الزمن (الشكل 2A). وتظهر مرتفعات الخطوات كما رسم بياني في الشكل 2B. أرقام 2-4 تظهر آثار تمثيلية من الربط من exosomes (nanovesicles)، وحبات السيليكا 5 ?...

Watch this Scientific Journal Video about Label-free Single Molecule Detection Using Microtoroid Optical Resonators at JoVE.com

Label-free Single Molecule Detection Using Microtoroid Optical Resonators

We have developed a label-free biosensing system based on optical resonator technology known as Frequency Locking Optical Whispering Evanescent Resonator (FLOWER) that is capable of detecting single molecules in solution. Here the procedures behind this work are described and presented.

تسمية خالية واحدة كشف الجزيئة عن طريق Microtoroid البصرية الرنين

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

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Multiplexed Single-molecule Force Proteolysis Measurements Using Magnetic Tweezers

المضاعفة واحدة جزيء القياسات التحلل البروتيني باستخدام الملقط قوة مغناطيسية

The  generation and detection of mechanical forces is a ubiquitous aspect of cell physiology,  with direct relevance to cancer metastasis1, atherogenesis2 ...

Non-contact, Label-free Monitoring of Cells and Extracellular Matrix using Raman Spectroscopy

عدم الاتصال، تسمية خالية من رصد خلايا المصفوفة خارج الخلية، وباستخدام التحليل الطيفي رامان

Non-destructive, non-contact and label-free technologies to monitor cell and tissue cultures are needed in the field of biomedical research.1-5 However, ...

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

استخدام تسمية خالية أجهزة الاستشعار البصرية لكشف التحوير من قنوات البوتاسيوم التي كتبها G-بروتين المستقبلات اقترن

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

Nanomanipulation من واحدة RNA الجزيئات بواسطة الملقط البصرية

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 ...

A Microfluidic-based Electrochemical Biochip for Label-free DNA Hybridization Analysis

وبيوشيب الكهروكيميائية استنادا ميكروفلويديك لتسمية خالية تحليل الحمض النووي التهجين

Miniaturization of analytical benchtop procedures into the micro-scale provides significant advantages in regards to reaction time, cost, and integration ...

A Label-free Technique for the Spatio-temporal Imaging of Single Cell Secretions

تقنية تسمية خالية لتصوير المكانية والزمانية لإفرازات خلية واحدة

Inter-cellular communication is an integral part of a complex system that helps in maintaining basic cellular activities. As a result, the malfunctioning ...

Single Molecule Fluorescence Microscopy on Planar Supported Bilayers

واحدة جزيء مضان المجهر على مستو المعتمدة طبقات ثنائية

In the course of a single decade single molecule microscopy has changed from being a secluded domain shared merely by physicists with a strong background ...

Multicolor Fluorescence Detection for Droplet Microfluidics Using Optical Fibers

متعدد الألوان كشف الإسفار عن القطرة على microfluidics عن طريق الألياف البصرية

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

PIP-on-a-chip: A Label-free Study of Protein-phosphoinositide Interactions

بيب على رقاقة: دراسة خالية من التسمية من التفاعلات البروتين فسفوانوسيتيد

Numerous cellular proteins interact with membrane surfaces to affect essential cellular processes. These interactions can be directed towards a specific ...

Implementation of Interference Reflection Microscopy for Label-free, High-speed Imaging of Microtubules

تنفيذ مجهريانعكاس التداخل للتصوير عالي السرعة وخالٍ من الملصقات من الأنابيب الدقيقة

There are several methods for visualizing purified biomolecules near surfaces. Total-internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy is a commonly used ...