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 reconhece o apoio do Prof T Venkatesan, diretor, NUS nanociência e nanotecnologia iniciativa e escritório do presidente adjunto (Universidade Nacional de Cingapura) (R-398-000-084-646). CID reconhece o apoio de Singapura Ministério de saúde médica Conselho de pesquisa nacional sob seu médico cientista regime de financiamento, NMRC/CSA/035/2012 e a Universidade Nacional de Cingapura. Os financiadores não tinham qualquer papel no projeto de estudo, coleta de dados e análise, a decisão de publicar ou preparação do manuscrito.

1. a fabricação do Sensor e aquisição dos dados
<ol>
	<li>Preparação do molde de níquel
	<ol>
		<li>Casaco um 220 nm-grossa camada de feixe de elétrons negativos resistir até uma bolacha de 600 µm de espessura 4-em silicone. Escreva a matriz nanohole projetado nesta bolacha usando um sistema de litografia de feixe de elétrons.<ol>
			<li>Para acelerar o feixe e a escrever, escrever os padrões com uma baixa dotmap (N) de 20k para cada tamanho de campo 300 µm (A) (ou seja, lá são ...

<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>

Simulando a interação entre a luz incidente e as nanoestruturas torna possível identificar o pico apropriado (no espectro de transmissão), cujo turno pode ser gravado como uma função da concentração do analito. É importante notar que a localização das bandas com relação a estrutura do sensor é crucial para a escolha da banda direita, cuja mudança pode ser rastreada para sentir o analito. A visualização pode ser conseguida através de simulações. Isto também é fundamental para a concepção de uma est...

Sensores químicos baseados em matrizes de nanohole tem sido objecto de numerosas investigações desde o primeiro relatório sobre transmissão óptica extraordinária (EOT) foi publicado por Ebbesen et al . em 19981. Quando a luz colide com as matrizes periódicas de nanohole estruturas de dimensões de comprimento de onda secundário, reforçada a transmissão ocorre em comprimentos de onda específicos. Isso ocorre quando a luz incidente casais com Bloch-onda de superfície polariton (BW-SPP) e/ou localizadas plasmons de superfície (LSP)2.
O princípio físico subjacente explorado quando biosensing com tais matrizes periódicas é simples. Adsorção de moléculas sobre ou perto da interface de metal muda a constante dielétrica do meio em contato com o metal, por sua vez, mudando a localização das bandas no espectro de transmissão. O espectro em si pode ser ajustado por nano-engenharia da forma, tamanho e separação distância3,4,5. Por design, sensores com base em EOT têm bandas características em seus espectros que facilitam tarefas específicas6,7,8 durante a investigação de eventos de ligação molecular. Esta é uma vantagem crucial sobre plataformas de ressonância (SPR) de plasmon de superfície disponível comercialmente.
Sensores usando EOT normalmente envolvem uma fonte de luz alinhada opticamente tal que um feixe colimado é incidente na superfície de sensoriamento. Técnicas para gerar nanohole grandes superfícies, tais como modelos de co-polímero e interferência e nanosphere litografia, tem pobre reprodutibilidade9. Devido a essas limitações na fabricação com precisão as grandes superfícies que mostram o fenômeno EOT, microscópio óptico era necessário para posicionar corretamente a fonte de luz e o detector. Para simplificar a técnica, litografia de alta qualidade nanoimprinting (NIL)10 foi empregado. Isso possibilitou a produção de sensor de grandes áreas de superfície11 (mm-escala), eliminando a necessidade de um microscópio procurar a superfície de detecção em um chip. Em vez disso, este sensor pode facilmente ser interfaceado com um padrão de fibra óptica cabo.
Desde que os picos de transmissão para essa matriz de nanohole estão contidos no visível a região do infravermelho próximo (NIR), é perfeitamente adequado para detecção de eventos de ligação de biomoléculas em um ambiente aquoso. O comportamento esperado de óptico da matriz nanohole foi simulado. O resultado foi verificado através de estudos com líquidos de padrão índices de refração (RI). Esta matriz foi então usada para medir a concentração de troponina cardíaca I (cTnI) em segundo plano complexo de soro humano. cTnI é clínico padrão-ouro para o diagnóstico de infarto agudo do miocárdio.
Usando este sensor, é possível detectar e quantificar a cTnI no soro humano em um limite de detecção (LOD) de 0,55 ng/mL, que é clinicamente relevante. A detecção é muito mais rápida do que o mais comumente utilizado tecnologia neste domínio, ensaio imunoenzimático (ELISA). Além disso, a superfície de detecção pode facilmente ser regenerada e, por conseguinte, reutilizados. Portanto, este trabalho demonstra a promessa de matrizes de nanohole como tecnologia viável (POC) point-of-care para biosensing dentro do complexo biofluids.

<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

Uma plataforma de biosensing ter relevância clínica em configurações de point-of-care (POC), ensaio de sensibilidade, reprodutibilidade e capacidade de monitorar confiantemente analitos no contexto de soro humano são cruciais.
Litografia de Nanoimprinting (NIL) foi usada para fabricar, a um custo baixo, sensoriamento áreas tão grandes quanto 1,5 x 1,5 mm. A superfície de detecção foi feita de matrizes de alta-fidelidade de nanoholes, cada um com uma área de cerca de 140 nm2. A grande reprodutibilidade de NIL tornou possível empregar uma estratégia de um chip, um-medição em 12 superfícies fabricadas individualmente, com variação mínima de chip-a-chip. Esses chips de ressonância (LECC) de plasmon de superfície nanoimprinted localizada foram testados extensivamente em sua capacidade de medir confiavelmente um bioanalyte em concentrações variando entre 2,5 e 75 ng/mL em meio de fundo de um complexo biofluid-neste soro humano, caso. A alta fidelidade de NIL permite a geração de grandes áreas de sensoriamento, que por sua vez, elimina a necessidade de um microscópio, como este biosensor pode ser facilmente ligado com uma fonte de luz de laboratório comumente disponíveis. Estes biosensores podem detectar troponina cardíaca no soro, com uma alta sensibilidade, com um limite de detecção (LOD) de 0,55 ng/mL, que é clinicamente relevante. Eles também mostram baixa variação de chip-a-chip (devido a alta qualidade do processo de fabricação). Os resultados são comensuráveis com ensaio imunoenzimático amplamente utilizado (ELISA)-com base em ensaios, mas a técnica mantém as vantagens de uma plataforma sensoriamento LECC-based (ou seja, acessibilidade a miniaturização e multiplexação, tornando-se mais viável para aplicações de POC).

A configuração óptica durante a medição é mostrada na figura 1A. Uma imagem da matriz real nanohole é dada na figura 1B. Para compreender a física de condução do processo de detecção, o software de simulação de COMSOL foi usado para simular a distribuição do campo plasmônico em um ambiente aquoso. Os resultados da simulação então estavam relacionados com a medição real. Um estudo publicado anteriormente cont...

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Using Extraordinary Optical Transmission to Quantify Cardiac Biomarkers in Human Serum

Este trabalho descreve um método de litografia de nanoimprinting para fabricar matrizes de sensoriamento de alta qualidade que funcionam no princípio de transmissão óptica extraordinária. O biosensor é de baixo custo, robusto e fácil de usar e pode detectar troponina cardíaca eu no soro em concentrações clinicamente relevantes (99th percentil corte ∼10-400 pg/mL, dependendo do ensaio).

Usando transmissão óptica extraordinária para quantificar biomarcadores cardíacos no soro humano

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

Research

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Bioengineering

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