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 räumt die Unterstützung von Prof T Venkatesan, Direktor, NUS Nanowissenschaft und Nanotechnologie-Initiative und Büro des stellvertretenden Präsidenten (National University of Singapore) (R-398-000-084-646). CLD anerkennt die Unterstützung von Singapur Ministerium der Gesundheit National Medical Research Council unter seiner Kliniker Wissenschaftler Finanzierungsprogramm, NMRC/CSA/035/2012 und der National University of Singapore. Die Geldgeber hatten keine Rolle beim Studiendesign, Datenerhebung und Analyse, Entscheidung, zu veröffentlichen oder der Manuskripterstellung.

1. Herstellung des Sensors und der Erfassung der Daten
<ol>
	<li>Vorbereitung der Nickel-Form
	<ol>
		<li>Mantel einer 220 nm dicke Schicht von negativen Elektronenstrahl widerstehen auf einem 600 µm dicken 4-in Silizium-Wafer. Schreiben Sie gestaltete Nanohole Array auf diese Wafer mit einem Elektron Lichtstrahl Lithographie System.<ol>
			<li>Um den Elektronenstrahl schreiben zu beschleunigen, schreiben die Muster mit einer niedrigen man (N) von 20k für jeweils 300 µm Feldgröße (A) (d. h. </...

<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 der Interaktion zwischen einfallende Licht und Nanostrukturen macht es möglich, die entsprechenden Spitze (im Übertragungsspektrum), zu identifizieren, deren Verschiebung in Abhängigkeit von der Konzentration des Analyten aufgezeichnet werden kann. Es ist wichtig zu beachten, dass die Lokalisierung der Bands im Hinblick auf die Struktur des Sensors entscheidend für die Wahl der richtigen Band, deren Verschiebung nachverfolgt werden kann, den Analyten zu spüren. Die Visualisierung kann durch Simulationen e...

Chemosensoren basierend auf Nanohole Arrays wurden Gegenstand zahlreicher Untersuchungen seit der erste Bericht über außergewöhnliche optische Übertragung (EOT) durch Ebbesen Et Al. 19981veröffentlicht wurde. Wenn Licht auf regelmäßige Anordnungen von Nanohole Strukturen der Sub Wellenlänge Dimensionen auftrifft, erfolgt die verstärkte Übertragung bei bestimmten Wellenlängen. Dies tritt auf, wenn das einfallende Licht mit Bloch-Welle Oberfläche Polariton (BW-SPP) und/oder lokalisierte Oberflächenplasmonen (LSP)2Paare.
Das zugrunde liegende physikalische Prinzip ausgenutzt, wenn Biosensoren mit solchen regelmäßigen Arrays einfach ist. Adsorption von Molekülen auf oder nahe der Oberfläche des Metalls ändert die Dielektrizitätskonstante des Mediums in Kontakt mit Metall, im Gegenzug verschieben die Lage der Übertragung Banden im Spektrum. Das Spektrum des Lichts kann durch Nano-Engineering die Form, Größe und Trennung Abstand3,4,5eingestellt werden. Standardmäßig haben Sensoren basierend auf EOT charakteristische Bands in ihren Spektren, die spezifische Aufgaben6,7,8 während der Untersuchung der molekularen Bindung Veranstaltungen zu erleichtern. Dies ist ein entscheidender Vorteil gegenüber handelsüblichen Surface Plasmon Resonance (SPR) Plattformen.
Sensoren mit EOT in der Regel beinhalten eine Lichtquelle optisch ausgerichtet, so dass ein kollimierten Strahl auf die Sensorfläche ist. Techniken, um große Nanohole Oberflächen, wie Co-Polymer Vorlagen und Störungen und Nanosphere Lithografie, erzeugen haben schlechte Reproduzierbarkeit9. Aufgrund dieser Einschränkungen in präzise Herstellung große Flächen, die das EOT-Phänomen zu zeigen, wurde dem Lichtmikroskop erforderlich, um die Lichtquelle und Detektor richtig zu positionieren. Zur Vereinfachung der Technik, qualitativ hochwertige Nanoimprinting Lithographie wurde (NIL)10 eingesetzt. Dies ermöglichte die Produktion von großen Sensor Flächen11 (mm-Skala), entfällt die Notwendigkeit für ein Mikroskop zu suchen die Sensorfläche auf einem Chip. Stattdessen könnte dieser Sensor leicht mit einem standard-LWL-Kabel verbunden werden.
Da die Übertragung Gipfel für das Nanohole-Array in der sichtbaren Region Nah-Infrarot (NIR) enthalten sind, ist es perfekt geeignet, um verbindliche Veranstaltungen für Biomoleküle in einer wässrigen Umgebung spüren. Das erwartete optische Verhalten des Nanohole Arrays wurde simuliert. Das Ergebnis wurde dann durch Studien mit Flüssigkeiten der standard Brechungsindex (RI) überprüft. Dieses Array diente zur Messung der Konzentration des kardialen Troponin I (cTnI) die komplexen Hintergrund von Humanserum. cTnI ist der klinische Goldstandard für die Diagnose eines akuten Myokardinfarkts.
Mit diesem Sensor, ist es möglich zu erkennen und zu quantifizieren cTnI in humanem Serum an eine Grenze der Nachweisgrenze (LOD) von 0,55 ng/mL, was klinisch relevant ist. Die Erkennung ist viel schneller als die am häufigsten Technologie in diesem Bereich, Enzym-linked Immunosorbentprobe Assay (ELISA verwendeten). Darüber hinaus kann die Sensorfläche leicht regeneriert und somit wiederverwendet werden. Daher zeigt diese Arbeit das Versprechen der Nanohole Arrays als tragfähige Point-of-Care (POC) Technologie für Biosensoren innerhalb komplexer auszahlt.

<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

Für eine Biosensoren Plattform für klinische Relevanz in den Point-of-Care (POC) Einstellungen haben sind Assay Empfindlichkeit, Reproduzierbarkeit und zuverlässig überwachen Analyten vor dem Hintergrund von Humanserum entscheidend.
Nanoimprinting Lithographie (NIL) wurde verwendet, um zu einem niedrigen Preis zu fabrizieren sensing Bereichen so groß wie 1,5 x 1,5 mm. Die Sensorfläche wurde von High-Fidelity-Arrays von Aluminiummedien, jeweils mit einer Fläche von etwa 140 nm2gemacht. Die gute Reproduzierbarkeit der NIL machte es möglich, eine ein-Chip, eine Messung Strategie auf 12 individuell gefertigten Oberflächen mit minimalen Span-zu-Variation zu beschäftigen. Diese Nanoimprinted lokalisiert Surface Plasmon Resonance (LSPR) Chips wurden ausgiebig getestet auf ihre Fähigkeit, eine Bioanalyte bei Konzentrationen variierend von 2,5 bis 75 ng/mL inmitten der Hintergrund eines komplexen Biofluid-in diesem Fall, menschlichen Serum zuverlässig zu messen. Die High-Fidelity des NIL ermöglicht die Generierung von Großflächen Fernerkundung, die wiederum eliminiert die Notwendigkeit für ein Mikroskop, wie dieser Biosensor problemlos mit einer handelsüblichen Labor Lichtquelle verbunden werden kann. Diese Biosensoren erkennt kardiale Troponin im Serum mit einer hohen Empfindlichkeit auf eine Begrenzung der Nachweisgrenze (LOD) von 0,55 ng/mL, was klinisch relevant ist. Sie zeigen auch geringe Span-zu-Streuung (durch die hohe Qualität der Fertigung). Die Ergebnisse sind vergleichbar mit weit verbreitetes Enzym-linked Immunosorbentprobe Assay (ELISA)-Assays basieren, aber die Technik behält die Vorteile einer LSPR basierende Sensor Plattform (z.B. Hilfsbereitschaft, Miniaturisierung und multiplexing, so dass es mehr machbar für POC-Anwendungen).

Der optische Aufbau für die Messungen ist in Abbildung 1Adargestellt. Ein Bild des tatsächlichen Nanohole Arrays ist in Abbildung 1 bgegeben. Um die Physik der Fernerkundung Prozeß zu verstehen, wurde der COMSOL-Simulations-Software verwendet, um die Verteilung des Feldes plasmonische in einer wässrigen Umgebung zu simulieren. Die Ergebnisse der Simulation bezogen sich dann auf die eigentliche Messung. Eine zuvor veröffentli...

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Using Extraordinary Optical Transmission to Quantify Cardiac Biomarkers in Human Serum

Diese Arbeit beschreibt eine Nanoimprinting Lithografie Methode, um qualitativ hochwertige Sensoren Arrays zu fabrizieren, die auf dem Prinzip der außergewöhnlichen optischen Übertragung arbeiten. Der Biosensor ist kostengünstige, robuste, einfach zu bedienen und erkennt kardiale Troponin im Serum bei klinisch relevanten Konzentrationen (99th Perzentil cutoff ∼10-400 Pg/mL, abhängig von der Assay).

Verwendung von außergewöhnlichen optischen Übertragung kardiale Biomarker in humanem Serum quantifizieren

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

Research

JoVE Journal

Bioengineering

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