共价连接的碳水化合物衍生品隐失波光纤布喇格光栅生物传感器

文摘

基质生物传感器是由功能化的表面蚀刻光纤布喇格光栅glucopyranosyl-siloxane共轭。功能化的表面共轭导致布喇格光栅的24点。这种转变的折射率是一致的理论转变假设计算单层覆盖的葡萄糖传感器上的共轭。结果功能化纤维显示交互选择性伴刀豆球蛋白(Con),葡萄糖结合蛋白(凝集素)。glucose-functionalized纤维的接触花生凝集素、galactosebinding凝集素,并没有导致折射率的变化对应于一个绑定事件。

1。介绍

生物传感器检测中发挥着越来越重要的作用的物质环境:他们是用于病毒或细菌病原体的检测在食品供应,如炭疽生物威胁,血糖监测的糖尿病。(1- - - - - -7)各种生物分子曾被附加到硅及相关表面提供识别政权生化物质,包括DNA单链抗体,酶,蛋白质和细胞。除了单一基质生物传感器,多路传感器阵列提供了更大的敏感性检测能力和阵列技术大大增强基因组科学的研究,例如。

功能化的硅与碳水化合物的衍生品,另一方面,已收到skant注意即使carbohydrate-protein相互作用在细胞表面繁殖中扮演关键的角色,传染性和肿瘤转移8- - - - - -12]。此外,由于许多碳水化合物绑定事件本质上是多齿的,需要同时绑定多个细胞表面糖,生物传感器具有高表面覆盖的碳水化合物研究应该提供一个理想的平台carbohydrate-protein交互。最近基质生物传感器,利用这个报道了多齿的绑定和泉和Uzawa13]和内克Kolusheva [14]。此外,Taitt等人最近报道一系列基质生物传感器用于食品中毒素的检测和临床体液(15]。

在这篇文章中,我们描述了制备carbohydrate-functionalized,蚀刻隐失波光纤布喇格光栅生物传感器,研究其绑定glucose-binding蛋白(凝集素)伴刀豆球蛋白(Con)。这些实验的发展最初的一步carbohydrate-functionalized纤维的生物传感器检测碳水化合物结合蛋白(凝集素)。我们当前的目标是产生一个生物传感器基于glyco-recognition应该提供不同的优势和抗体/抗原DNA传感器。例如,因为绑定类似于信息识别、传感器应该没有要求细胞溶菌作用(或其他细胞的制备方法)。此外,由于信息快速识别是生物时间(秒),一个可以预见,传感器将函数几乎在同一时间政权提供实时分析绑定事件。信息识别DNA杂交相比非常快(小时),因此glycosensor可能更快的响应时间比其他类型的生物相互作用。一旦我们证明了单一纤维和碳水化合物可以作为传感器,然后纤维将调查的多路复用。

2。实验部分

2.1。光纤系统

我们的光纤传感器(16,17]使用商用(JDSU)单模光纤光敏两个光纤布拉格光栅(fbg)的布喇格波长1533和1563.8海里,镌刻在纤维芯。光栅是约5毫米长,他们有一个峰值反射率约30 dB和极其well-suppressed旁瓣。从设计一个温度补偿测量表明,山JDSU纤维热光系数/°C。JDSU纤维是一种锗硅酸盐纤维被氢提高光敏性加载。两个光纤光栅被打包在一个温度补偿。未侵蚀的纤维,温度敏感性测定点/°C的温度从室温在10°C。光纤光栅传感器在化学蚀刻在一个两步的过程。纤维进行了腐蚀从j·t·贝克缓冲氧化腐蚀与表面活性剂。这份数据表的基础上,解决方案是由0.5% - -10%的氢氟化,40% - -70%的水、30%氟化铵-50%,0.5% -10%的表面活性剂。氟化氢的低浓度和添加表面活性剂降低硅腐蚀速率,提高表面光滑,比蚀刻过程利用氟化氢浓度高。蚀刻率是非常稳定在一个固定的温度和23°C纤维蚀刻率10.9m / h。腐蚀率随温度和超过2%的程度会有所不同。在第一步中,直径从125年开始减少m 49m。对于这个操作,传感器是完全沉浸在7小时的腐蚀剂。在第二个步骤中,较低的光栅浸在腐蚀剂和房地产的上半部分仍在空气中。49岁的直径减小m最后腐蚀直径在3.5 - -4.5小时。尽管腐蚀率非常均匀,可再生的,最后的直径传感器是通过监测布拉格波长与光纤光学频谱分析仪是蚀刻。布喇格波长位移为10.5 nm时测量纤维直径从125年开始减少m到5纤维直径5米。米,没有原纤维包覆的左派和核心是蚀刻的一部分。对于小直径,传感器变得非常敏感的折射率的改变周围的液体。这样增强敏感性改变周围的液体的折射率是由我们组(之前报道16]。布拉格BPM计算理论上被用来预测变化由于周围不同指数(18]。约85海里的敏感性改变1 (riu)周围的折射率测量周围的指数为1.4。随着周围的指数增加1.45,预计1063 nm / riu的敏感性。这个敏感性降低到20 nm / riu周围液体的索引改为1.3。在我们的研究中,我们把水和乙醇的折射率为1.55m是1.319和1.356,分别。指数为1.44,我们最近实现了指数变化的敏感性在3.4米直径传感器(17]。一个YSI热敏电阻与°C(室温)沉浸在附近解决光栅准确登记温度。

报道的实验中,我们使用一个5米直径的光纤布拉格光栅传感器。我们使用宽带掺铒光纤放大器的放大自发发射谱作为宽带源探测光纤布喇格反射光谱。一个典型的蚀刻核心光纤布拉格光栅的反射谱图所示2。可以看到,存在几个反射率峰值和最小值。我们使用一个相对最小值监控波长位移。功能非常可再生的和变化的相同数量的峰值波长。3 dB的宽度最小特性是25点。通过使用一个适当的拟合函数,可以解决波长偏移到下午1点。这就意味着的敏感性和在周围的指数变化指数的1.4和1.3,分别。

2.2。Glucosyl硅氧烷的合成和功能化纤维表面蚀刻通过葡萄糖附件

我们最近开发了一个通用的策略合成低聚糖配合碳水化合物衍生品依据附件的氧化硅表面(19]。虽然最初开发复杂的糖肽的合成衍生品,图中总结的方法3已经被证明是切实可行的合成各种glycoconjugates如糖脂,糖基化的聚乙二醇(PEG)的衍生品,和glycosyl-siloxanes。对于本文,glucosylamide导数1(图3)是用来使职能化的表面蚀刻纤维使用溶胶-凝胶方法(见附录一个)。以下的附件1醋酸纤维,保护组被治疗在室温下与乙醇钠在乙醇(见附录一个)。

尽管图3总结了方法使用葡萄糖作为碳水化合物的一部分,其他单糖(甘露糖和半乳糖)、双糖(壳二糖,麦芽糖和乳糖),三糖(麦芽三糖和cellotriose)和多糖(纤维素)衍生品已经准备用这种方法。这些结果清楚地表明,任何多糖细胞表面组件可以功能化玻璃纤维使用这种方法。

3所示。实验结果

葡萄糖改性纤维准备使用化学总结在图3。刚蚀刻纤维处理葡萄糖共轭的10毫米的解决方案1溶解在乙醇产量的纤维表面已被修改的硅氧烷交换反应和结果附件的葡萄糖配体。五个不同实验的相同目标附加glucosyl导数1通过共价键的纤维。这些结果是平均和绘制在图4。从点对点所表示的误差波动小于2点。不断转变的布拉格波长观察到的附件glucose-siloxane共轭纤维的进展。

附件进展更迅速地开始,然后减慢。附件实验结束时,传感器在乙醇冲洗,然后用水涮洗。图的插图4表明光纤光栅峰值的变化前后血糖测量对水的依恋。最后的24点(如图的插图所示4)测量的情况下glucosyl导数1,对应于一个改变周围的指数。这种转变是符合23点时间转变从最小值测量的观察最终价值的转变。如果我们假设固体葡萄糖层上形成的纤维指数1.543 (20.之前),光束传播模拟中讨论(18)表明,形成一层厚度约1海里,对应于一个单层的葡萄糖共轭。当醋酸组被使用0.2乙醇钠溶液,葡萄糖转变对水26点注册。这种转变非常类似于乙酰化的转变,测定葡萄糖的纤维,醋酸组表明,只有一小部分被移除。我们之前报道的时间依赖性的附件apt和APMDS纤维(21)的力量,展示了我们的技术能够达到单层附件控制的方式,与其他技术相比,不允许原位实时测量的功能化过程22]。因此,我们得出这样的结论:大约一个单层的glucose-siloxane共轭是附着在纤维在这些条件下。

试图描述glucose-siloxane1对纤维的表面使用x射线光电子能谱(XPS)是不确定的,由于微弱信号得到的功能化纤维。为了证明glucose-siloxane1可以固定在二氧化硅表面,携带glucose-siloxane的蚀刻玻璃幻灯片吗1(见附件B),然后通过XPS分析。幻灯片提供的更大的表面积增加了XPS谱信号。高分辨率x射线光电子光谱光和功能化玻片是描绘在图5(见附件B实验细节和仪器规范)。C 1 s的频谱unfunctionalized载玻片(清洗后和腐蚀过程和洗水)显示少量的碳表面由于碳氢化合物的污染,由于大气暴露一些氧化碳。值得注意的是,没有氮检测表面的光unfunctionalized载玻片。然而,XPS谱的载玻片glucose-siloxane对待1揭示了一个好看氮峰在400.2 eV (2所有元素的原子百分比检测)和增加氧化碳物种(C = O、碳氮和切断),这是符合附件的保护glucose-siloxane共轭。

额外的确认的功能化纤维表面与葡萄糖使用凝集素结合试验证明。暴露glucose-functionalized纤维伴刀豆球蛋白的解决方案(Con),蛋白质与葡萄糖结合,在23°C导致转移21点的信号,表明绑定欺诈的发生纤维(图6)。类似与花生凝集素治疗glucose-functionalized纤维,碳水化合物结合蛋白与半乳糖结合,而不是葡萄糖,不产生改变光纤的信号(点)。这些互补结合的研究采用凝集素,虽然初步,重要在两个层面:首先,绑定清楚地表明,纤维的表面被携带glucose-siloxane1,用乙醇盐治疗导致的醋酸保护组。特征明显的结合凝集素,更重要的是,carbohydrate-binding蛋白质,可以确定使用的传感器。因此,我们预计,其他那些未知凝集素特异性可以确定采用类似的方法与更复杂的碳水化合物衍生品。

4所示。结论

隐失波光纤布喇格光栅传感器已准备,用于监控的共价连接葡萄糖衍生物纤维的表面。观察到的变化指数符合沉积大约葡萄糖的单层共轭。删除后碳水化合物保护组,凝集素伴刀豆球蛋白A显示绑定到生物传感器。等探测器依靠细胞表面绑定事件的基础感应会有其独特的优势在其他传感策略,因为(1)传感器不需要细胞裂解前测量绑定和(2)绑定事件应该发生迅速,可能在真正的时间。后续实验用这个和相关carbohydrate-functionalized布拉格光纤光栅将进行展示的范围和限制这些carbohydrate-functionalized生物传感器。主题调查包括生物传感器的温度和pH值稳定、特异性凝集素结合各种碳水化合物,结合特异性缆索长度的作用,和多路传感器的能力来创建设备重要蛋白质的检测通过carbohydrate-protein交互。

附录

答:Glucose-Functionalized纤维的制备

. 1。合成过程对乙酰化-Glucose-4-Pentenamide

乙酰化glucose-azide准备中描述(19]。乙酰化,-glucose-4-pentenamide准备在以下方式:乙酰化glucose-azide(1.0克,2.7更易)溶解在25毫升新鲜蒸馏CH₂Cl₂。二异丙基乙胺(1.0毫升)添加了通过注射器,后跟一个1.0解决方案trimethylphosphine通过注射器(3.5毫升,3.5更易)。进化的气体被观察到。在RT反应混合物搅拌0.5小时。4-Pentenoic酸(0.6毫升,5.4更易)添加了通过注射器。反应混合物搅拌在RT 22小时。125毫升的反应混合物被稀释层和洗了三次H₂o .有机层收集,在MgSO干₄和集中在真空产生一种无色油。油的净化flash色谱法(己烷:层,乙酰化的)给了0.62 g (54%)-glucose-4-pentenamide无色油。CCl IR (₄,)3432 (w), 3080 (w), 2955 (w), 1759 (s), 1709 (s), 1509 (s), 1227 (s), 909 (m);¹H NMR (400 MHz, CDCl₃)1.99(年代,3 h), 2.00(年代,3 h), 2.02(年代,3 h), 2.05(年代,3 h), 2.18 - -2.36 (m, 4 h), 3.79 (ddd, J = 9.5, 4.4, 2.2, 1 h), 4.05 (dd, J = 12.4, 2.2, 1 h), 4.28 (dd, J = 12.4, 4.4, 1 h), 4.86 (t, J = 9.5, 1 h), 4.98 (dd, J = 10.3, 1.6, 1 h), 5.02 (dd, J = 17.3, 1.6, 1 h), 5.03 (t, J = 9.5, 1 h), 5.23 (t, J = 9.5, 1 h), 5.28 (t = 9.5, 1 h), 5.70 - -5.80 (m, 1 h), 6.20 (d J = 9.5, 1小时);¹³C NMR (100 MHz, CDCl₃)20.6,20.6,20.7,20.7,28.8,35.6,61.6,68.1,70.5,72.6,73.5,78.1,115.8,136.3,169.5,169.8,170.6,171.0,172.5;,8经cacld (FAB)。对于C₁₉H₂₈O₁₀N [M + H)⁺430.1713,发现430.1708。

由信用证。合成乙酰化的过程(-Glucose-5) - Triethoxysilyl pentanamide1

乙酰化-glucose-4-pentenamide(0.43克,1.0更易)和美国专利商标局₂(0.01克,0.05更易)重进瓶和1.5毫升新鲜蒸馏四氢呋喃溶解。Triethoxysilane(0.9毫升,5更易)添加了通过注射器的一分。瓶是刷新氩和密封。在95°C的反应混合物搅拌3小时。反应混合物稀释20毫升EtOH和过滤通过硅藻土插头。集中在真空内产生一种无色油。由闪光色谱净化(己烷:层,)给了0.42 g的乙酰化不可分割的混合物(-glucose-5) - triethoxysilyl pentanamide1和完全氢化酰胺产品。的摩尔比1:氢化产品()和百分比收益率(57%1和18%的氢化产品)被集成的决定¹核磁共振信号在0.60 ppm(对应于质子碳硅氧烷集团相邻1)和0.88 ppm(对应于质子在终端中碳氢化产品)。CCl IR (₄,)3432 (w), 2973 (m), 1755 (s), 1707 (m), 1511 (m), 1224 (s)、956 (w)¹H NMR (1、400 MHz CDCl₃)0.57 - -0.62 (m, 2 h), 1.19 (t, J = 7.0, 9 h), 1.35 - -1.42 (m, 2 h), 1.57 - -1.63 (m, 2 h), 1.99(年代,3 h), 2.00(年代,3 h), 2.02(年代,3 h), 2.05(年代,3 h), 2.14 - -2.20 (m, 2 h), 3.77 (q, J = 7.0, 6 h), 3.78 - -3.82 (m, 1 h), 4.04 (dd, J = 12.4, 2.0, 1 h), 4.28 (dd, J = 12.4, 4.4, 1 h), 4.88 (t, J = 9.5, 1 h), 5.04 (t, J = 9.5, 1 h), 5.22 (t, J = 9.5, 1 h), 5.28 (t, J = 9.5, 1 h), 6.16 (d J = 9.5, 1小时);¹³C NMR (1、100 MHz CDCl₃)10.2、18.3 (x 3), 20.6, 20.6, 20.6, 20.7, 22.5, 28.4, 36.3, 58.3 (x 3), 61.6, 68.1, 70.5, 72.6, 73.5, 78.1, 169.5, 169.8, 170.6, 171.1, 173.2;^29日如果核磁共振(1,79.5 MHz, CDCl₃经颅磁刺激外部引用,0 ppm)^{- - - - - -} ;,8经cacld (FAB)。对于C₂₅H₄₃O₁₃NSiLi [M +李]⁺600.2664,发现600.2694。

出具。过程的去乙酰化Glucose-Siloxane共轭固定化到布拉格纤维

布喇格光纤携带glucose-siloxane共轭1沉浸在0.2 M NaOEt / EtOH解决方案2.0小时25°C。纤维被排除在乙醇钠溶液和乙醇其次是微孔水冲洗。

b的制备Glucose-Functionalized玻璃表面和XPS数据

责任。程序Glucose-Siloxane的固定1在载玻片上蚀刻而成的

一个玻璃盖片(Fisherbrand显微镜盖玻片)沉浸在食人鱼的解决方案(集中H₂所以₄H: 30%₂O₂与微孔为1小时),冲洗H₂O(50毫升),然后沉浸在从j·t·贝克缓冲氧化腐蚀与表面活性剂1小时。然后用微孔冲洗H幻灯片₂O其次是声波降解法在微孔H₂O 10分钟。声波降解法的过程是反复用新鲜微孔H₂o .幻灯片然后冲洗与二氯甲烷(50毫升)和干在烤箱C 1.5小时。干燥器中冷却后,glucose-siloxane的解决方案1溶解在二氯甲烷增加了明智的载玻片的一边。氮气氛下安静的坐了0.5小时后,glucose-siloxane /二氯甲烷的解决方案是重新应用。氮气气氛下的载玻片坐在安静的一个额外的0.5小时。载玻片是冲洗与二氯甲烷(20毫升)和氮气气氛下被允许坐在安静的一夜。

B.2。裸露的XPS分析的实验细节和Glucose-Functionalized玻璃幻灯片

奎托斯的XPS数据收集轴165 x射线光电子谱仪操作在混合模式下使用单色Al Kα辐射。仪器维护的压力数据收集期间托或更好。数据收集在一个20°take-off-angle(对样本平面)。电荷中和被要求补偿样品收费。光谱(这里没有显示)调查收集的能量通过160电动汽车,而高分辨率光谱收集传递能量的20个电动车。所有光谱校准的烃高峰285 eV。C 1 s光谱符合一个雪莉高斯背景和洛伦兹30%的峰值70%产品功能。

确认

PD承认美国国家科学基金会的慷慨的财政支持(NIRT,格瓦拉0511219478),马里兰技术开发公司和SD纳米科学,公司部分支持本研究。我们感激地承认共享实验设施支持x射线光电子谱仪从NSF MRSEC格兰特DMR 05 - 20471。m承认研究生的支持国家需要援助的地区(GAANN)奖学金。

引用

1. m . Valach和大肠Sturdik生物传感器在监测发酵过程中的应用”,Chemicke Listy,卷103,不。3、208 - 215年,2009页。视图:谷歌学术搜索
2. l . c . Shriver-Lake p·t·查尔斯和c r . Taitt“固定生物分子在硅和silicabased表面用于平面阵列生物传感器,”生物传感器和Biodetection卷。2卷,504分子生物学方法,第440 - 419页,2009年。视图:谷歌学术搜索
3. a . Rasooly和k·e·赫罗尔德生物传感器和Biodetection:方法和协议卷2:电化学和机械探测器、横向流和配体的生物传感器美国新泽西,胡玛纳出版社,风险中,2009年。
4. l . Mi x张,杨w . et al .,“人工nano-bio-complexes:纳米材料对生物分子反应的影响和应用程序在若和检测,”纳米科学和纳米技术杂志》上,9卷,不。4、2247 - 2255年,2009页。视图:谷歌学术搜索
5. l . f . Lu顾,m . j . Meziani et al .,“bioapplications碳纳米管的进步,”先进材料,21卷,不。2、139 - 152年,2009页。视图:谷歌学术搜索
6. g . r . Hendrickson,洛杉矶里昂Bioresponsive水凝胶为传感应用,”软物质,5卷,不。1,29-35,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. g . Blagoi: Rosenzweig, z . Rosenzweig“荧光共振能量transfer-based传感器生物分析法”,荧光传感器和生物传感器,第105 - 93页,2006年。视图:谷歌学术搜索
8. l·德霍夫彼得,劳伦斯·m·布里尔,m . Hirsch安,“植物凝集素:根共生的束缚和植物防御,”分子遗传学与基因组学,卷282,不。1、1 - 15,2009页。视图:谷歌学术搜索
9. Nakahara和a·拉兹“生物调制凝集素及其配体在肿瘤进展和转移,”在药物化学抗癌药物,8卷,不。1,22-36,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. 诉Martos, p . Castreno, j·瓦莱罗能源,j·门多萨,“绑定蛋白通过超分子多价支架表面,”当前化学生物学的观点,12卷,不。6,698 - 706年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. t . Horlacher和p h . Seeberger”碳水化合物阵列作为研究和诊断工具,”化学学会评论,37卷,不。7,1414 - 1422年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. 陈和比比Haab”,蛋白质和多糖检测抗体微阵列,”临床蛋白质组学,第111 - 101页,2008年。视图:谷歌学术搜索
13. 和泉m和h Uzawa”,基质传感材料检测细菌毒素”,Glycoscience和Glycotechnology的趋势,17卷,不。95年,第119 - 107页,2005年。视图:谷歌学术搜索
14. r .内克和s . Kolusheva”碳水化合物生物传感器”,化学评论,卷104,不。2、5987 - 6015年,2004页。视图:谷歌学术搜索
15. c . r . Taitt l . c . Shriver-Lake m . m . Ngundi和f·s . Ligler“毒素检测阵列生物传感器:持续进步,”传感器,8卷,不。12日,第8377 - 8361页,2008年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. a . n .名为“s·m·李,s . b . Lee, s . s .赛和m . Dagenais”高灵敏度损耗光纤布喇格光栅传感器领域,“IEEE光子学技术信,17卷,不。6,1253 - 1255年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. m . Dagenais和c·j·斯坦福损耗光纤光栅可以检测”超大规模集成微型和纳米光子学:科学、技术、和应用程序,E.-H。李,l . Eldada Razeghi m, c . Jagadish Eds。泰勒和弗朗西斯,伦敦,英国,2009年。视图:谷歌学术搜索
18. 美国赛,c .斯坦福大学,美国m . Lee et al .,“单层检测生化制剂使用etched-core光纤布喇格光栅传感器,”IEEE光子学技术信,19卷,不。18日,第1343 - 1341页,2007年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. f . Damkaci和p . DeShong立体选择合成的,从glycopyranosyl b-glycosylamide衍生品通过Isoxazoline中间体、叠氮化”《美国化学学会》杂志上,卷125,不。15日,第4409 - 4408页,2003年。视图:谷歌学术搜索
20. 公元前x曹,汉考克:别名,j·贝克尔,w . Yu和v . m . Masterson”使用预测方法估计制药固体的折射率,”国际制药学杂志卷。368年,16-23,2009页。视图:谷歌学术搜索
21. c·j·斯坦福,m . Dagenais黄永发。公园,p . DeShong”实时监控的硅氧烷单层使用光纤布拉格光栅在硅膜的形成,”当前的分析化学,4卷,不。4、356 - 361年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. j . a . Howarter和j.p.夫妇攀谈,“优化3-aminopropyltriethoxysilane硅硅烷化的,”朗缪尔,22卷,不。26日,第11147 - 11142页,2006年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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