Name: using extraordinary optical transmission to quantify cardiac biomarkers in human serum
Uploaded: 2017-12-13T12:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Using Extraordinary Optical Transmission to Quantify Cardiac Biomarkers in Human Serum at JoVE.com

AP reconnaît l’appui du Prof T Venkatesan, directeur, NUS Nanoscience et nanotechnologie Initiative et Cabinet du président adjoint (Université nationale de Singapour) (R-398-000-084-646). CLD reconnaît l’appui de la Singapour Ministère de santé National Medical Research Council sous ses clinicien chercheur régime de financement, la NMRC/CSA/035/2012 et l’Université nationale de Singapour. Les bailleurs de fonds n’avaient aucun rôle dans la conception de l’étude, la collecte de données et analyse, décision de publier ou préparation du manuscrit.

1. fabrication de la sonde et l’Acquisition des données
<ol>
	<li>Préparation du moule nickel
	<ol>
		<li>Manteau, une couche de 220 nm d’épaisseur du faisceau d’électrons négatifs résister sur une plaquette de 600 µm d’épaisseur 4-en silicium. Écrire au tableau nanohole conçu sur cette plaquette à l’aide d’un système de lithographie par faisceau électronique.<ol>
			<li>Pour accélérer le faisceau électronique écrit, écrire les motifs avec un faible dotmap (N) de 20k pour ...

<ol>
	<li>Ebbesen, T. W., Lezec, H. J., Ghaemi, H., Thio, T., Wolff, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Extraordinary+optical+transmission+through+sub-wavelength+hole+arrays.">Extraordinary optical transmission through sub-wavelength hole arrays.</a> Nature. 391 (6668), 667-669 (1998).</li><li>Krishnan, A., 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=Evanescently+coupled+resonance+in+surface+plasmon+enhanced+transmission.">Evanescently coupled resonance in surface plasmon enhanced transmission.</a> Optics Comm. 200 (1), 1-7 (2001).</li><li>Yang, J. -. 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=Enhanced+optical+transmission+mediated+by+localized+plasmons+in+anisotropic,+three-dimensional+nanohole+arrays.">Enhanced optical transmission mediated by localized plasmons in anisotropic, three-dimensional nanohole arrays.</a> Nano letters. 10 (8), 3173-3178 (2010).</li><li>Kim, J. H., Moyer, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transmission+characteristics+of+metallic+equilateral+triangular+nanohole+arrays.">Transmission characteristics of metallic equilateral triangular nanohole arrays.</a> Appl Phys Lett. 89 (12), 121106 (2006).</li><li>Liu, H., Lalanne, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microscopic+theory+of+the+extraordinary+optical+transmission.">Microscopic theory of the extraordinary optical transmission.</a> Nature. 452 (7188), 728-731 (2008).</li><li>Shon, Y. -. S., Choi, H. Y., Guerrero, M. S., Kwon, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preparation+of+nanostructured+film+arrays+for+transmission+localized+surface+plasmon+sensing.">Preparation of nanostructured film arrays for transmission localized surface plasmon sensing.</a> Plasmonics. 4 (2), 95-105 (2009).</li><li>Xiang, G., Zhang, N., Zhou, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Localized+surface+plasmon+resonance+biosensing+with+large+area+of+gold+nanoholes+fabricated+by+nanosphere+lithography.">Localized surface plasmon resonance biosensing with large area of gold nanoholes fabricated by nanosphere lithography.</a> Nanoscale Res Lett. 5 (5), 818 (2010).</li><li>Valsecchi, C., Brolo, A. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Periodic+metallic+nanostructures+as+plasmonic+chemical+sensors.">Periodic metallic nanostructures as plasmonic chemical sensors.</a> Langmuir. 29 (19), 5638-5649 (2013).</li><li>Gates, B. 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=New+approaches+to+nanofabrication:+molding,+printing,+and+other+techniques.">New approaches to nanofabrication: molding, printing, and other techniques.</a> Chem Rev. 105 (4), 1171-1196 (2005).</li><li>Guo, L. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoimprint+lithography:+methods+and+material+requirements.">Nanoimprint lithography: methods and material requirements.</a> Adv Mater. 19 (4), 495-513 (2007).</li><li>Wong, T. I., 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+throughput+and+high+yield+nanofabrication+of+precisely+designed+gold+nanohole+arrays+for+fluorescence+enhanced+detection+of+biomarkers.">High throughput and high yield nanofabrication of precisely designed gold nanohole arrays for fluorescence enhanced detection of biomarkers.</a> Lab on a Chip. 13 (12), 2405-2413 (2013).</li><li>Deng, J., Wong, T. I., Sun, L. L., Quan, C., Zhou, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Acceleration+of+e-beam+lithography+by+minimized+resist+exposure+for+large+scale+nanofabrication.">Acceleration of e-beam lithography by minimized resist exposure for large scale nanofabrication.</a> Microelect Eng. 166, 31-38 (2016).</li><li>Wu, L., Bai, P., Li, E. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Designing+surface+plasmon+resonance+of+subwavelength+hole+arrays+by+studying+absorption.">Designing surface plasmon resonance of subwavelength hole arrays by studying absorption.</a> JOSA B. 29 (4), 521-528 (2012).</li><li>Ding, 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=Quantification+of+a+cardiac+biomarker+in+human+serum+using+extraordinary+optical+transmission+(EOT).">Quantification of a cardiac biomarker in human serum using extraordinary optical transmission (EOT).</a> PloS one. 10 (3), 0120974 (2015).</li><li>Im, H., Sutherland, J. N., Maynard, J. A., Oh, S. -. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanohole-based+surface+plasmon+resonance+instruments+with+improved+spectral+resolution+quantify+a+broad+range+of+antibody-ligand+binding+kinetics.">Nanohole-based surface plasmon resonance instruments with improved spectral resolution quantify a broad range of antibody-ligand binding kinetics.</a> Anal Chem. 84 (4), 1941-1947 (2012).</li><li>Bhagawati, M., You, C., Piehler, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+real-time+imaging+of+protein-protein+interactions+by+LSPR+detection+with+micropatterned+gold+nanoparticles.">Quantitative real-time imaging of protein-protein interactions by LSPR detection with micropatterned gold nanoparticles.</a> Anal Chem. 85 (20), 9564-9571 (2013).</li></ol>

Simulation de l’interaction entre la lumière incidente et les nanostructures permet d’identifier le pic approprié (dans le spectre de transmission), dont Maj peut être enregistrée en fonction de la concentration de l’analyte. Il est important de noter que la localisation des bandes en ce qui concerne la structure du capteur est cruciale pour le choix de la bande de droite, dont le déplacement peut être suivi pour détecter l’analyte. La visualisation peut être réalisée au moyen de simulations. C’est é...

Capteurs chimiques basés sur les baies de nanohole ont été un sujet de nombreuses recherches depuis le premier rapport sur la transmission optique extraordinaire (EOT) a été publié par Ebbesen et coll. 19981. Lorsque la lumière empiète sur des tableaux périodiques de structures nanohole des dimensions de longueur d’onde secondaire, transmission améliorée se produit à des longueurs d’onde spécifiques. Cela se produit lorsque la lumière incidente est couplé à Bloch-onde surface polariton (BW-SPP) et/ou des plasmons de surface localisées (LSP)2.
Le principe physique exploité lorsque biodétection avec tels tableaux périodiques est simple. Adsorption des molécules sur ou près de l’interface métal modifie la constante diélectrique du milieu en contact avec le métal, à son tour changer l’emplacement des bandes dans le spectre de la transmission. Le spectre elle-même peut être ajusté par nano-ingénierie, la forme, la taille et séparation distance3,4,5. Par sa conception, les capteurs basés sur EOT ont bandes caractéristiques dans leurs spectres qui facilitent des tâches précises6,7,8 au cours de l’enquête sur les événements de liaison moléculaire. Il s’agit d’un avantage décisif sur les plates-formes (SPR) de résonance plasmonique de surface disponibles dans le commerce.
Capteurs utilisant EOT généralement impliquent une source lumineuse optiquement alignée tels qu’un faisceau collimaté est incident sur la surface sensible. Techniques de nanohole grandes surfaces comme modèles de copolymère et interférence et nanosphere lithographie, ont mauvaise reproductibilité9. En raison de ces limitations fabricateurs avec précision les grandes surfaces qui montrent le phénomène de l’EOT, microscope optique devait se positionner correctement la source lumineuse et le détecteur. Pour simplifier la technique, de la lithographie de dispositifs de haute qualité (néant)10 a été employé. Cela a permis la production du grand capteur surfaces11 mm (échelle), éliminant la nécessité d’un microscope pour rechercher la surface sensible sur une puce. Au lieu de cela, ce capteur pourrait être facilement relié à un câble optique de fibre standard.
Depuis les sommets de transmission pour ce tableau de nanohole sont contenues dans le visible pour la région du proche infrarouge (NIR), il est parfaitement adapté à la détection des événements de liaison de biomolécules en milieu aqueux. Le comportement attendu optique du tableau nanohole a été simulé. Le résultat fut ensuite vérifié au moyen d’études avec des liquides de standard les indices de réfraction (RI). Ce tableau a été ensuite utilisé pour mesurer la concentration en troponine cardiaque I (cTnI) dans le contexte complex de sérum humain. cTnI est l’étalon-or clinique pour le diagnostic de l’infarctus aigu du myocarde.
Utilisation de ce capteur, il est possible de détecter et de quantifier la cTnI dans le sérum humain à une limite de détection (LD) de 0,55 ng/mL, qui est cliniquement pertinent. La détection est beaucoup plus rapide que le plus utilisé la technologie dans ce domaine, le dosage immuno-enzymatique (ELISA). En outre, la surface de détection peut facilement être régénérées et donc réutilisées. C’est pourquoi ce travail démontre la promesse de nanohole tableaux comme technologie viable point-of-care (POC) de biodétection au sein des sujets complexes.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="706">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:199px;">Electron Beam Lithography setup</td>
			<td style="width:220px;">Elionix ELS 700</td>
			<td style="width:199px;"></td>
			<td style="width:91px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:199px;">o-Xylene</td>
			<td style="width:220px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:199px;">95662</td>
			<td style="width:91px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:199px;">EB resist</td>
			<td style="width:220px;">Sumitomo</td>
			<td style="width:199px;">NEB-22A2</td>
			<td style="width:91px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:199px;">Developer reagent</td>
			<td style="width:220px;">Shipley Company</td>
			<td style="width:199px;">Microposit MF 321</td>
			<td style="width:91px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:199px;">Electroplating machine</td>
			<td style="width:220px;">Technotrans AG RD 50</td>
			<td style="width:199px;"></td>
			<td style="width:91px;"></td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:199px;">Photoresist stripper&#160;</td>
			<td style="width:220px;">Rohm and Haas Electronic Materials&#160;LLC</td>
			<td style="width:199px;">Microposit Remover 1165</td>
			<td style="width:91px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:199px;">Etching System</td>
			<td style="width:220px;">Trion Phantom</td>
			<td style="width:199px;"></td>
			<td style="width:91px;"></td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:199px;">Heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl)trichlorosilane&#160;</td>
			<td style="width:220px;">Gelest (PA, USA)</td>
			<td style="width:199px;">78560-44-8</td>
			<td style="width:91px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:199px;">SAM coater&#160;</td>
			<td style="width:220px;">Sorona Inc.</td>
			<td style="width:199px;">AVC 150M</td>
			<td style="width:91px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:199px;">Photo-curable NIL resist</td>
			<td style="width:220px;">micro resist technology GmbH</td>
			<td style="width:199px;">mr-UVCur21-300nm</td>
			<td style="width:91px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:199px;">Light Curing System</td>
			<td style="width:220px;">Dymax&#160;</td>
			<td style="width:199px;">Model 2000 Flood</td>
			<td style="width:91px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:199px;">E-beam deposition machine</td>
			<td style="width:220px;">Denton Explorer</td>
			<td style="width:199px;"></td>
			<td style="width:91px;"></td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:199px;">UV-visible spectrometer&#160;</td>
			<td style="width:220px;">Ocean optic HR2000+ (Dunedin, FL, USA)</td>
			<td style="width:199px;"></td>
			<td style="width:91px;"></td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:199px;">Standard refractive index liquids&#160;</td>
			<td style="width:220px;">Cargill Inc (Cedar Grove, USA)</td>
			<td style="width:199px;">18032</td>
			<td style="width:91px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:199px;">Plotting software</td>
			<td style="width:220px;">Origin</td>
			<td style="width:199px;">Origin Pro 9</td>
			<td style="width:91px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:199px;">10-carboxy-1-decanethiol&#160;</td>
			<td style="width:220px;">Dojindo Laboratories (Japan)</td>
			<td style="width:199px;">C385-10</td>
			<td style="width:91px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:199px;">1-octanethiol&#160;</td>
			<td style="width:220px;">Sigma-Aldrich, MO, USA</td>
			<td style="width:199px;">471386</td>
			<td style="width:91px;"></td>
		</tr>
		<tr height="85">
			<td height="85" style="height:85px;width:199px;">Sulfo-N-hydroxysuccinimide and 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide&#160;</td>
			<td style="width:220px;">BioRad (CA, USA)</td>
			<td style="width:199px;">1762410</td>
			<td style="width:91px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:199px;">Anti-troponin antibody 560</td>
			<td style="width:220px;">Hytest (Finland)</td>
			<td style="width:199px;">4T21</td>
			<td style="width:91px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:199px;">Ethanolamine-HCl solution</td>
			<td style="width:220px;">BioRad (CA, USA)</td>
			<td style="width:199px;">1762450</td>
			<td style="width:91px;"></td>
		</tr>
		<tr height="43">
			<td height="43" style="height:43px;width:199px;">Surface Plasmon Resonance setup</td>
			<td style="width:220px;">BioRad XPR36 (Haifa, Israel)</td>
			<td style="width:199px;"></td>
			<td style="width:91px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:199px;">Multiplexed SPR chip</td>
			<td style="width:220px;">BioRad</td>
			<td style="width:199px;">GLC</td>
			<td style="width:91px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:199px;">Human cTnI standard</td>
			<td style="width:220px;">Phoenix Pharmaceuticals</td>
			<td style="width:199px;">EK -311-05</td>
			<td style="width:91px;"></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:199px;">Glycine-HCl</td>
			<td style="width:220px;">BioRad (CA, USA)</td>
			<td style="width:199px;">1762221</td>
			<td style="width:91px;"></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

using extraordinary optical transmission to quantify cardiac biomarkers in human serum

Pour une plate-forme de biodétection avoir la pertinence clinique dans les paramètres de point-of-care (POC), la sensibilité, la reproductibilité et la capacité de surveiller efficacement analytes dans le contexte du sérum humain sont essentiels.
Lithographie de dispositifs (néant) servait à fabriquer, à faible coût, détection des zones de plus grands que 1,5 x 1,5 mm. La surface de détection a été faite de tableaux de haute fidélité de nanoholes, chacun d’une superficie d’environ 140 nm2. La grande reproductibilité du NIL a permis d’employer une stratégie one-chip, une mesure sur 12 surfaces fabriquées individuellement, avec des variations minimales de puce-à-puce. Ces puces de résonance (LSPR) de plasmon de surface nanoimprinted localisé ont été testées sur leur capacité à mesurer de manière fiable un bioanalyte à des concentrations variant de 2,5 à 75 ng/mL au milieu de l’arrière-plan d’un complexe biofluid-dans ce sérum cas, humain. La haute fidélité de NIL permet la génération de vastes zones de détection, qui à son tour élimine le besoin d’un microscope, comme ce biocapteur peut s’interfacer facilement avec une source lumineuse de laboratoire couramment disponibles. Ces biocapteurs peuvent détecter troponine cardiaque dans le sérum avec une grande sensibilité, à une limite de détection (LD) de 0,55 ng/mL, qui est cliniquement pertinent. Ils montrent également le faible écart de puce-à-puce (en raison de la qualité du processus de fabrication). Les résultats sont commensurables avec test couramment immuno-enzymatique (ELISA)-base de tests, mais la technique conserve les avantages d’une plate-forme télédétection LSPR (c.-à-d., susceptibilité de miniaturisation et de multiplexage, ce qui en fait plus faisable pour des applications de POC).

Le montage optique pour prendre des mesures est illustré dans la Figure 1 a. Une image du tableau nanohole réel est donnée dans la Figure 1 b. Pour comprendre la physique de conduire le processus de détection, le logiciel de simulation de COMSOL a été utilisé pour simuler la distribution du champ plasmonique en milieu aqueux. Les résultats de la simulation sont ensuite associés à la mesure réelle. Une étude précédem...

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Using Extraordinary Optical Transmission to Quantify Cardiac Biomarkers in Human Serum

Cet ouvrage décrit une méthode de lithographie de dispositifs pour fabriquer des baies de télédétection de haute qualité qui fonctionnent sur le principe de transmission optique extraordinaire. Le biocapteur est peu coûteux, robustes, faciles à utiliser et peut détecter de troponine cardiaque I en sérum aux concentrations cliniquement pertinentes (99ème percentile coupure ∼10-400 pg/mL, selon le test).

À l’aide de Transmission optique extraordinaire pour quantifier les biomarqueurs cardiaques dans le sérum humain

For a biosensing platform to have clinical relevance in point-of-care (POC) settings, assay sensitivity, reproducibility, and ability to reliably monitor ...

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