Name: label-free single molecule detection using microtoroid optical resonators
Uploaded: 2015-12-29T14:00:00
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This research was supported in part by a National Research Service Award (T32GM07616) from the National Institute of General Medical Sciences.

1. 실험 설정 및 샘플 준비 <ol><li> 리소그래피를 사용하여 에칭하고, 이전에 설명 된 바와 같이 6 과정을 용융 microtoroids를 제작. 일반적으로 80 내지 100 ㎛의 주요 직경, 2 ㎛의 작은 직경을 갖는 실리콘 웨이퍼 (칩)의 상단에 microtoroids를 제작. </li><li> 대략의 섬유 스풀에서 단일 모드 광섬유 (125 μm의 클래딩, 4.3 μm의 모드 필드 직경)의 미터 긴장을 풀고. </li><li> 광섬유의 풀린 부분의 중간?...

<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>

입자가 결합 된 바와 같이, 환형 상승의 공진 파장 (λ). 입자가 바인딩 해제하면, 공진 파장은 대응 (스텝 - 다운 이벤트)를 감소시킨다. 입자 직경 (d)는 각각의 파장 단계의 진폭 히스토그램을 통해 결정될 수있다. 각 파장 단계의 높이가 결합 입자의 크기 변화로 인해 입자가 결합 microtoroid의 위치로 인해 변한다. 입자는 전기장 (E 0 맥스)이 최대가 microtoroid의 적?...

단일 분자 검출 실험은 질병의 조기 진단을위한 바이오 센서에 사용되는 분석 물의 양을 감소시키는 데 유용하며, 분자 (3)의 기본 특성을 조사하기위한. 이러한 실험은 일반적으로 라벨 그러나, 라벨은 항상 이벤트가 검토되고 교란 수, 비용 증가, 특정 단백질을 얻을 수없고, 특히 현장 실험 또는 포인트 외 실시간 들면 불편할 수있다하여 수행 의료 진단. 라벨없는 바이오 센서에 대한 현재 금 표준 그러나 상업적 표면 플라즈몬 공명 시스템은 전형적 nm 인 검출 순서에 전형적인 하한을 가지고, 표면 플라즈몬 공명 (4)이다. 최근, 광 공진기는 라벨이없는 단일 분자 biodetection 5 유망 기술로 등장했다. 장기 (NS)에 기초하여 광 공진기 일 -6,7-의 광 가둠. 빛은 순간적이다일반적으로, 광섬유를 통해 이러한 장치에 연결된다. 섬유 거치지 광의 파장 공진기의 공진 파장과 일치 할 때, 효율적으로 공진기에 커플 빛. 이 결합 된 광은 완전히 내부 공진기의 둘레 근방에 소 산장을 발생 공진기의 공동 내에 반영한다. 입자는 공진기, 입자 (8)의 체적에 비례하여 변화 공진기의 공진 파장 산장 인드에 진입. 검출 능력의 관점에서, 미세 공진기 이전 단일에게 인플루엔자 바이러스 입자 (100 ㎚) 9,10 검출하는데 사용되어왔다. 최근 plasmonically 향상된 미세 광학 공진기 그러나이 접근법은 드 0.3 μm의 (2)에 입자 포획 영역을 제한하고, 분자 (11) 및 8 량체 올리고 12 알부민 단일 소 혈청을 검출하는데 사용되어왔다바이스. 큰 캡처 영역 바이오 센서는 입자 검출의 가능성을 최대화 이상적이다. 큰 (&gt; 100 μm의 2) 캡쳐 영역과 현재 솔루션 기반의 라벨없는 바이오 센싱 기술은 폴리스티렌 입자를 ≥ 25 nm의 검출에 한정되어있다. 우리는 용액 중의 분자의 단일 시간 - 분해 검출 할 수있는 에바 네 슨트 광 위스퍼 링 공진기 (FLOWER) (13) (도 1)을 잠그기 주파수라고도 광 공진기 기술 기반의 라벨없는 바이오 센싱 시스템을 개발 하였다. FLOWER 주파수 로크 피드백 제어, 평형 검출 한 단일 단백질 분자로 내려 작은 입자를 검출하는 필터링 연산과 결합 microtoroid 광학 공진기의 길이 광자 수명을 이용한다. 주파수 록의 이용은 스위프 또는 레이저 파장을 스캐닝 할 필요없이, 입자 결합으로 시스템이 항상 microtoroid의 이동 공명을 추적 할 수 있도록큰 범위. 꽃의 원리 플라즈몬 강화를 포함하는 다른 기법의 검출 능력을 향상시키기 위해 사용될 수있다. 다음 것에서, FLOWER를 행하는 절차를 설명한다.

<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

아래로 단일 분자 한계 분자의 작은 농도를 검출하는 것은 이러한 질병의 조기 발견 및 분자의 행동에 기초 연구 등의 분야에 영향을 미친다. 단일 분자 검출 기술은 일반적 그러나, 라벨 비용 및 복잡성을 증가, 항상 사용할 수 없으며, 이벤트가 연구되고있다 교란 형광 태그 또는 양자점과 같은 라벨을 사용한다. 광학 공진기는 라벨의 사용없이 하나의 분자를 검출하는 수단으로서 유망 나왔다. 현재 용액에 비 plasmonically 향상된 베어 광 공진기 장치에 의해 검출 된 가장 작은 입자는 25 nm의 폴리스티렌 구 1이다. 우리는 위스퍼 에바 네 센트 광 공진기 수용액 2 라벨없는 단일 분자 검출이 한계를 능가 달성 (FLOWER)를 잠그기 주파수로 알려진 기술을 개발했다. 신호 강도가 입자 볼륨 확장, 우리의 작품은&gt; 100 배의 양식 개선을 나타냅니다NT 기술의 현재 상태 위에 잡음비 (SNR)에 신호한다. 여기 FLOWER 뒤에 절차 야전에서의 사용을 증가시키기위한 노력으로 제시된다.

이벤트를 결합 입자는 분명히 시간 (그림 2A)를 통해 microtoroid의 공진 파장의 단계와 같은 변화로 볼 수 있습니다. 이러한 단계 높이는.도 2b에 도시 된 바와 같이, 히스토그램은 각각 2-4, 대표 엑소 좀의 결합에서 트레이스 (nanovesicles), 5 nm의 실리카 비드, 및 단일 인간 인터루킨 2 분자를 표시하는 도면이다. 계단 형 이벤트 입경 확장된...

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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.

Microtoroid 광 공진기를 사용하여 라벨이없는 단일 분자 검출

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

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

연구

생체공학

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라만 분광학을 사용하여 세포와 세포외 기질의 비 접촉, 레이블이없는 모니터링

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, ...

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G-단백질 결합 수용체에 의해 칼륨 채널의 변조를 감지하기 위해 라벨이없는 광 바이오 센서의 사용

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광 핀셋으로 단일 RNA 분자의 Nanomanipulation

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 ...

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물방울 미세 유체에 대한 여러 가지 빛깔의 형광 검출 광학 섬유를 사용하여

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