Angle-Scanning表面等离子体共振系统与3 d打印组件Biorecognition调查

文摘

表面等离子体共振(SPR)是一种实时、label-free和高灵敏度探测技术。SPR已广泛应用于许多应用程序,如生物分子相互作用分析、环境监测、医疗诊断。然而,传统的SPR传感器系统通常需要昂贵的设备和复杂的光学。在本文中,我们演示了angle-scanning SPR的快速原型分析调查。达到利用FDM快速成型技术基于熔融沉积(建模)的3 d(三维)印刷技术。两个旋转平台被用来驱动激光源和光电二极管,分别。温度调节单元成立维护系统温度以降低温度的效果。拟议的SPR快速原型产生折射率分辨率为6.4×10⁻⁶RIU(折射率单元),biotin-avidin系统验证了动力学参数测量功能。结果表明,FDM 3 d打印技术有很大的发展潜力的快速构建原型SPR系统。

1。介绍

表面等离子体共振(SPR)是一个surface-sensitive光学技术,用于研究金属表面上的一个薄层。当P-polarized光投射到金属薄膜,它可以激发电子的振动表面的电影。这种振荡称为表面等离子体波(SPW)。当入射光的波矢量匹配SPW的波矢,反射光强度衰减迅速,和相应的入射光的角度称为共振角。表面等离子体共振(SPR)是一个功能强大的分析技术。它可以检测到电影吸收在传感器表面的厚度和抗原抗体等生物分子之间的相互作用或protein-DNA [1- - - - - -5]。与传统检测方法相比,像x射线,高效液相色谱,HPLC-MS, SPR技术可以进行动力学参数(协会和离解过程)测量,浓度测量和实时分子检测。它已广泛应用于化学、生物、农业、环境和食品安全(6- - - - - -12]。

传统的SPR系统通常需要昂贵的设备和复杂的光学。商业spr的成本从10000美元到5000000美元,和折射率分辨率范围从10⁻⁵RIU(折射率单位)10⁻⁷RIU。许多基于光纤spr一直在集中研究文献[13- - - - - -15]。这些设备的结构相对比较简单。然而,分辨率和动态范围往往牺牲了(16,17]。达到一个高分辨率的10⁻⁶RIU或10⁻⁷RIU,光谱仪总是需要一个光纤SPR [18]。

与光纤SPR相比,angle-scanning SPR的能力是实现高分辨率和折射率测量范围宽。一个特定波长激光辐照金属薄膜表面和扫描实现一定范围的入射角。然而,angle-scanning SPR需要更多的机械部件,以及光程更为复杂。典型angle-scanning spr基于Kretschmann配置。它涉及许多机械零部件制造和复杂的光路设计。因此,构建一个紧凑的自制的SPR具有十分重要的意义。

3 d打印技术,也被称为添加剂制造,起源于1980年代以来一直是模具产品开发的工具。到期的3 d打印技术专利,这个领域发生了一个巨大的增长19]。FDM熔融沉积(建模)是最受欢迎的3 d打印技术。在FDM 3 d印刷,激烈的喷嘴是用来融化原材料和挤出熔融材料在建筑平台,它奠定了熔融材料层。可以打印各种材料,如丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚乳酸(PLA),高抗冲聚苯乙烯(臀部)和热塑性聚氨酯(TPU)。开源RepRap项目的出现后,桌面熔融沉积成型(FDM) 3 d打印机越来越受用户欢迎,制造商和研究人员。它很简单,成本效益,多才多艺。FDM应用3 d打印技术玩具、原型、科学工具,和医疗设备变得越来越常见19- - - - - -23]。

使用3 d打印技术来设计一个SPR是一个有趣的和有吸引力的事情。最近,一些研究已经证明了使用3 d打印SPR平台。哈桑等人开发了一个基于智能手机的SPR成像平台现场biodetection [16]。他们利用3 d打印技术只是打印设备持有者。这个系统有一个动态范围小于0.02 RIU,这限制了应用程序测量大的折射率变化。Bonyar等人提出了一个丙烯酸光敏聚合物材料3 d打印技术制造模具对PDMS(聚二甲硅氧烷)铸造和流动细胞SPR的乐器。这种方法使SPR流通池的定制(24]。然而,3 d打印技术可以进一步应用于SPR。3 d打印技术的使用简化了生产过程,加速原型的设计,使设计更加灵活。此外,复杂的设备,如车床,铣床,并不重要,甚至非专家用户可以快速复制和构建3 d印刷项目。

在这项研究中,我们演示了一个利用FDM快速成型angle-scanning SPR 3 d打印技术。PLA长丝被选为其相对高的抗拉强度(~ 50 MPa),再现性好,成本低。3 d打印技术的帮助下,细胞光路设计模块化和可定制的。折射率分辨率被发现6.4×10⁻⁶RIU。验证分析能力,biotin-avidin系统作为目标分析物。

2。方法

生物素和抗生物素蛋白从Macklin购买生化有限公司(上海,中国)。N-hydroxysulfosuccinimide钠盐(sulfo-NHS)和1 - (3-dimethylaminopropyl) 3-ethylcarbodiimide盐酸盐(EDC)从阿拉丁购买化学有限公司(上海,中国)。半胱胺和十二烷基硫酸钠(SDS)从北京获得Biotopped科技有限公司(中国,北京)。无水乙醇、氯化钠购买从北京化工厂(中国,北京)。去离子水从有条件现金援助获得- 3300水净化系统被用在所有的实验。匹配油系列E(1.520)从嘉吉公司购买道琼斯公司(美国)。聚乳酸(PLA) 3 d打印丝(1.75毫米)购买的3 d系统(美国)。

发达SPR系统包括一个波长650纳米的激光源(深圳Fuzhe科技有限公司150兆瓦,深圳,中国),一个光电二极管(2 du 10毫米×10毫米),一个偏振器(f - pzp - 001ϕ15毫米×2毫米),一个BK7三角形棱镜(20毫米×20毫米×10毫米)。Au-coated玻片(2毫米×8毫米×30毫米)是由涂料47.5纳米厚度的非盟层使用溅射沉积方法。影片前沉积非盟,载玻片与2 nm预镀铬层的附着力增强非盟的电影。多维数据集3 3 d打印机(3 d系统,美国)被用来打印必要的SPR系统组件(图S1)。剪影照片(美国轮廓,Inc .)被用来降低流通池。两个旋转平台(北京刚才仪器有限公司,有限公司,中国)是采用机械驱动程序。开源董事会(Arduino兆2560)伴随着一个白手起家的放大器电路组成硬件电路。两个侦探(热电冷却器)tes1 - 12704(河北信息技术有限公司,3.3毫米×30毫米×30毫米,上海,中国)被改编为温度控制器。

快速构建原型的示意图angle-scanning SPR系统框图如图1。光从激光源首次p-polarized偏振器,然后投射到传感器表面通过三角形棱镜。传感器表面的反射光是收集的光电二极管。收集到的原始信号是由一个白手起家的放大器放大电路和采样内置ADC(模拟数字转换器)的微控制器单元ATmega2560(微芯科技公司,8位AVR单片机,钱德勒,亚利桑那州,美国)。数字信号最终被传播到软件计算机进行分析。平台控制器可以驱动系统扫描来 。当执行测量,而不是扫描整个SPR谱,一个角的范围在共振角是扫描的速度 。温度调节装置,低温度漂移系数NTC(负温度系数)电阻(SEMITEC公司,103年在4 Shape1,日本)是用来感觉系统从NTC电阻温度和信号是由一个16位高精度ADC量化ADS1115(美国德州仪器公司)。单片机ATmega328(微芯科技公司,8位AVR单片机,钱德勒,亚利桑那州,美国)被用来获取温度信息通过IIC从ADS1115 (Inter-Integrated电路)通信协议和控制流的加热或冷却单元通过侦探。PID控制器(proportional-integral-derivative)算法与ATmega328成立,保持一个稳定的温度环境。

橡胶流的流单元模块由细胞和不锈钢的部分。安排的流单元模块图所示。S2。橡胶流细胞体积的65μL和尺寸5.3毫米×23毫米×0.5毫米设计和建造使用桌面刀具轮廓的肖像。然而,可以定制一个流动单元的形状通过修改数字设计文件和剪断的橡胶膜轮廓的肖像。

发达的快速构建原型的SPR系统概述中描述人物2。系统采用3 d打印组件。多维数据集3桌面版3 d打印机用来打印组件与人民解放军细丝。组件模型被设计使用2012 SolidWorks软件和保存为STL文件格式(标准三角形语言)。然后,这些STL文件导入3 d打印机的软件Cubify版本3.9.0 (3 d系统,美国)。两个旋转平台被和一个3 d印刷光学平台安装在旋转平台。激光源和光电二极管可以很容易地安装在光学平台的3 d打印持有者。不像激光和光电二极管,流动单元模块是可拆卸和可定制的。此外,光学零件的一致性可以轻松实现。

SPR传感器功能化过程如图3。与生物素,使职能化SPR传感器Au-coated载玻片首次超声清洗4%十二烷基硫酸钠(SDS)的解决方案,与去离子水冲洗。然后它被暴露在紫外线20分钟。Au-coated载玻片当时沉浸在10毫米半胱胺解2小时,随后与去离子水冲洗,去除残留的半胱胺。由此产生的传感器就沉浸在0.2毫克/毫升生物素的解决方案包含sulfo-NHS EDC 15毫米和5毫米。然后传感器在去离子水冲洗,绝对乙醇和干下的氮流为进一步使用。

3所示。实验

我们有着接触角仪用于测量水接触角在每个修改阶段。SPR传感器芯片接触角仪安装在飞机上。4μ去离子水的L放到传感器芯片表面。图像文件的记录滴截面接触角仪上的相机。开源软件ImageJ用于估计图像文件记录的接触角。

最受益的SPR生物传感器技术是生物分子相互作用的动力学测定。它可以确定,分析A和配体之间的相互作用是在传感器表面固定化。它通常使用最简单的情况下A + B→AB。在这项研究中,开发系统的动力学参数测量功能使用biotin-avidin系统进行验证。亲和力生物素和抗生物素蛋白之间的相互作用在协会速率常数的特征k_一个,离解速率常数k_d缔合常数和平衡K_情商,其中一个是注入分析物,B是固定化的配体,AB是analyte-ligand复杂。实验数据是配备了一个+ B→AB交互模型。交互过程可以被描述为(1)。响应信号R浇道系统(AB)的数量成正比k_应用程序是明显的反应速率常数,t互动时间,最大响应信号正比于初始(B]。一系列的浓度(一个)解决方案之间的关系被用来推导k_应用程序和不同浓度的一个,得出了回归曲线(2)。因此k_一个回归的斜率,k_d回归曲线的截距,K_情商是计算k_一个/ k_d。

快速动力学参数测量、亲和力生物素和抗生物素蛋白之间的相互作用在协会速率常数的特征k_一个离解速率常数k_d缔合常数和平衡K_情商。然而,交互过程分为协会阶段,平衡阶段,分离阶段。的离解速率常数k_d从分离阶段获得了(3)。然后它被替换成(1)获得k_一个协会的阶段。因此K_情商被计算为协会和离解速率常数的比值。

4所示。结果与讨论

开展生物医学实验之前,应验证传感器表面改性效果。接触角的测量是一个强大的工具来检查每一步在传感器功能化。接触角测量的结果如图所示4。盟表面表现出的值88.378°。20分钟的紫外线照射后,接触角下降到71.922°。这种接触减少表明,紫外线照射能有效地去除杂质在非盟的电影。当半胱胺自组装单层膜(SAMs)上形成非盟电影,接触角变成了46.720°,这表明,半胱胺山姆与亲水性域−NH终止₂(25]。随后,固定后的生物素在半胱胺山姆,接触角下降到21.911°从46.720°的半胱胺山姆。原因是ureido——和生物素tetrahydrothiophene-rings比−NH亲水₂半胱胺终止山姆(26]。生物素山姆的接触角小于之前报道的研究(27),这可能是由于组织良好的生物素山姆。因此,上述结果表明,SPR传感器芯片制备成功。

抗生物素蛋白生物素之间的相互作用和不同浓度的解决方案绘制在图5。更高浓度的抗生物素蛋白表现出更快的协会。生物素山姆在传感器表面饱和在很短的时间内。与此同时,在低浓度的抗生物素蛋白,协会过程发生缓慢,它花了很长时间达到平衡。生物素在传感器表面的饱和后,结合生物素亲和素达到平衡,达到和SPR响应信号 。之间的关系k_应用程序和各种浓度的抗生物素蛋白是绘制如图6。线性回归方程得到k_应用程序= 4.9×10⁴×[C] + 5.4×10⁻⁵,C是卵白素浓度。因此,动力学参数k_d首次获得5.4×10吗⁻⁵年代⁻¹,k_一个获得4.9×10⁴米⁻¹年代⁻¹,K_情商被计算为9.8×10吗⁸米⁻¹,这是接近K_情商据赵et al。28]。

快速动力学参数测量,使用73.2 nM卵白素。在协会阶段的交互过程,平衡阶段,离解阶段记录如图7。分离的阶段,k_d派生是0.0012秒⁻¹。后用k_d到(1),我们得到k_一个= 3.551×10⁴米⁻¹年代⁻¹和K_情商=k_一个/k_d= 2.96×10⁷米⁻¹。使用两种以上方法获得的动力学参数是不同的。然而,快速动力学参数测量利用协会和交互过程的分离阶段只有一个浓度。比较这两种方法,结果表明,该系统能够分析不同浓度分析蛋白质和配体之间的相互作用。

5。结论

这项工作的发展提出了一个利用FDM快速成型表面等离子体共振的3 d打印技术。发达的设备是模块化的,光路和流动单元是可定制的。系统性能与一系列的实验验证,我们的系统显示,高分辨率为6.4×10⁻⁶RIU。此外,由biotin-avidin系统动力学参数测量功能验证。在未来,我们将致力于发展3 d-spr更模块化和容易构造,因此,许多机构或人员可以构建自己的3 d-spr。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由北京自然科学基金(Z160002)的国家重点基础研究项目(批准2014 cb931900), UCAS年轻教师研究基金(授予Y55103NY00, Y55103EY00 Y65201FY00, Y25102TN00),和中国科学院重点项目基金会(kfzd - sw - 202)。

补充材料

图S1主要用于取代金属制造的部件,包括光学基础,持有人,配件部分。3 d打印技术使分散的快速装配设备,如激光,光电二极管,玻璃棱镜,Au-coated滑入一个完整的系统。图S2是橡胶流的流单元模块由细胞和不锈钢的部分。(补充材料)

引用

1. Stojanović,r . b . m . Schasfoort和l·w·m·m·Terstappen”分析细胞表面抗原的表面等离子体共振成像,”生物传感器和生物电子学52卷,第36 -,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. k . m . Byun N.-H。金、y . h . Ko和j·s . Yu”增强的表面等离子体共振检测DNA杂交的氧化锌纳米线阵列,基于“传感器和执行器B:化学,卷155,不。1,第379 - 375页,2011。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. j . r . Wayment和j·m·哈里斯,“Biotin-avidin绑定动力学测量单分子成像,”分析化学,卷81,不。1,第342 - 336页,2009。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. t . Hiragun y濑进,k高丝et al .,“表面等离子体共振生物检测反应的多样性与表皮生长因子在各种癌细胞系,”生物传感器和生物电子学,32卷,不。1,第207 - 202页,2012。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. a . Kausaite m·冯·j·Castrop et al .,“表面等离子体共振label-free实时监测抗原抗体相互作用,“生物化学和分子生物学教育,35卷,不。1,57 - 63,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. f . c . Wu Rehman, j·李et al .,“实时评估现场原位癌细胞的表面等离子体共振和电化学研究中,“ACS应用材料&接口,7卷,不。44岁,24848 - 24854年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. 朱z, m .冯l .左et al .,“基于适配子的表面等离子体共振生物传感器检测赭曲霉毒素A的酒和花生油,”生物传感器和生物电子学卷,65年,第326 - 320页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. h . Vaisocherova h .Šipova i Višova et al .,“快速、灵敏检测的多个小分子核糖核酸在细胞溶解产物low-fouling表面等离子体共振生物传感器,”生物传感器和生物电子学卷,70年,第231 - 226页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. f·费尔南德斯,k . Hegnerova m . Piliarik f . Sanchez-Baeza j . Homola M.-P。马可”label-free和便携式多通道表面等离子体共振免疫传感器进行现场分析牛奶中抗生素的样本,”生物传感器和生物电子学,26卷,不。4、1231 - 1238年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. 黄x王詹,z, x,”点评:进步和表面等离子体共振若仪表的应用,”仪器科学与技术第41卷。。6,574 - 607年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. b . Liedberg c·尼兰德,i Lunstrom”表面等离子体共振气体检测,若。”传感器和执行器4卷,第304 - 299页,1983年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. 美国-鲍姆加滕和r . Robelek”,表面等离子体共振(SPR)传感器的快速、敏感的检测细胞反应渗透压力,”传感器和执行器B:化学,卷156,不。2、798 - 804年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. y刘,刘问:陈,f . Cheng h . Wang和w·彭”表面等离子体共振生物传感器基于智能手机平台,“科学报告,5卷,p。12864年,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. C.-W。吴,彭译葶。蒋介石,学术界。陈,c。蒋介石,C.-T。王,L.-K。洲,“自参照光纤粒子等离子体共振传感系统实时生物监测,“Talanta卷,146年,第298 - 291页,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. d·米歇尔·f·肖,k . Alameh”一个紧凑、灵活多变的光纤表面等离子体共振传感器传感器芯片,”传感器和执行器B:化学卷,246年,第261 - 258页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. h .枪手e . Ozgur g . Kokturk et al .,“基于智能手机的表面等离子体共振成像(撒)平台现场biodetection,”传感器和执行器B:化学卷,239年,第577 - 571页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. 美国杜塔、k . Saikia和p . Nath”智能手机bio-conjugation LSPR传感平台检测和量化为基础,“RSC的进步》第六卷,没有。26日,第21880 - 21871页,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. z . Liu y, y . Zhang et al .,“小说表面等离子体共振传感器基于光纤对接接头技术,”传感器和执行器B:化学卷,221年,第1334 - 1330页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. m·乔治·k·r·Aroom h·g·霍斯b·s·吉尔和j·爱,“3 d印刷手术器械:设计和制造过程中,“世界日报的手术第41卷。。1,第319 - 314页,2017。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. g .迦勒·m·门德斯t . p . de Almeida et al .,“简化使用熔融沉积制造集成微流控设备建模3 d打印,“传感器和执行器B:化学卷。242年,35 - 40,2017页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. k·d·d·威利斯e . Brockmeyer s e·哈德逊,i Poupyrev”印刷光学:3 d打印技术嵌入的光元素的交互设备,”ACM研讨会上的用户界面软件和技术,2012年。视图:谷歌学术搜索
22. t·l·纽科姆,a . m . Bruhn b·贾尔斯·h·m·加西亚和n . Diawara”测试小说3 d印刷射线成像设备用于法医牙科学,”法医科学杂志》,卷62,不。1,第228 - 223页,2017。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. m . Sadia a . Sośnicka b·阿拉法特et al。”改编的制药辅料FDM制造的3 d打印病人个体化立即释放平板电脑”国际制药学杂志,卷513,不。1 - 2、659 - 668年,2016页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. a . Bonyar h . Santha b环,m·巴尔加,j·g·科瓦奇和g·萨尼,“三维快速成型技术(RPT)作为微流控发展一个强大的工具,”Procedia工程5卷,第294 - 291页,2010年。视图:谷歌学术搜索
25. j·w·赵y钟华,y .问:Wang和z . Liu“实时表征表面Wettibility单层半胱胺自我asembled黄金,”在中国大学化学研究,19卷,第468 - 464页,1998年。视图:谷歌学术搜索
26. e·h·威廉姆斯,a . v .达维多夫a Motayed et al .,“固定的链霉亲和素生物传感器发展h-sic 4日”应用表面科学,卷258,不。16,6056 - 6063年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
27. 诉h . Perez-Luna m . j . O ' brien k . Opperman et al .,“转基因表面束缚和链霉亲和素生物素之间的分子识别,”美国化学学会杂志》上,卷121,不。27日,6469 - 6478年,1999页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
28. 赵和w·m·Reichert“抗生物素蛋白生物素的脂质表面密度和可访问性影响绑定的光纤传感器,”朗缪尔,8卷,不。11日,第2791 - 2785页,1992年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2018晨光Zhang et al。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。