文摘

小说蛋白质传感器基于锥形光纤修改与非盟提出了涂料沉积使用两个不同的过程。Au-based涂层沉积在非绝热的锥形光纤使用(i)小说组成的简单方法逐层沉积组成的聚阳离子(保利(烯丙胺盐酸盐),多环芳烃)和带负电荷的SiO2纳米颗粒(NPs)其次是带电盟NPs的沉积和(2)溅射技术。非盟NPs和非盟薄膜的表面修饰与生物素结合链霉亲和素(SV)分子和检测。传感原理是基于设备的透射谱的敏感性变化引起的折射率的涂料SV绑定到生物素。两个传感器显示SV灵敏度高,测量浓度最低的水平低于2.5海里。biotin-SV副的计算结合常数 米−1当LbL的锥形纤维改性方法,检测的限制(LoD) 271点。传感器使用溅射形成有约束力的常数 米−1LoD 806点。这些新的结构和简单的制造技术可以用来开发其他生物传感器。

1。介绍

生物传感器快速增长的相关性在许多研究领域,以及在工业服务和生物医学应用程序(1]。医疗、制药学、食品控制、兽医和其他科学领域需要不同的发展和特定的传感器。这些设备可能基于不同的检测方法,电气、光学、化学或机械。光纤传感器是最具吸引力的生物传感器之一,与一些优势,如高灵敏度,低成本、高选择性、轻量级、遥感能力,和电磁免疫(2- - - - - -4]。

不同的蛋白质检测方法基于光纤使用长周期光栅[已报告5,6),光纤布喇格光栅(7,8[],光子晶体纤维9],折射计[10),和其他光学配置(11,12]。逐渐减少的光纤是一个简单的光纤传感器的制造方法。逐渐减少提供访问隐失波(EW)通过锥形区域传播的模式,促进互动与周围介质和允许折射率等参数的测量或化学成分。

为了进行选择性测量和确定所需的分析物在一个复杂的矩阵的化合物,光纤传感器需要一个敏感层沉积在其表面。光纤传感器的性能很大程度上取决于敏感层的物理和化学性质,如孔隙度、膜厚度、表面粘附和绑定功能(13- - - - - -15]。控制结构和性能的传感器敏感元件是一个关键的开发和设计。

各种沉积技术,如dip-and-spin涂料(16),逐层(LbL)沉积静电自组装17),水沉积(18),和化学和物理汽相沉积19),曾光学纤维的功能性涂料。在这些技术中,LbL技术,基于交替吸附聚阳离子和聚阴离子在表面,是一种强大的表面改性方法。这种交替吸附技术潜力仍在扩大,因为它的多功能性和便利性nanoassembled薄膜的制造使用各种有机和无机材料。

锥形光纤已经好特征理论上和实验(20.,21]。最近,使用锥形光纤Au纳米粒子改性后,创建基于表面等离子体共振(SPR)传感器现象吸引了很多的关注(22,23]。张等人报道锥形光纤生物传感器的发展基于金纳米颗粒来创建局部表面等离子体共振(LSPR) [24]。盐渍化方法使用3-aminopropyltrimethoxy硅烷(APTMS)和3-mercaptopropyltrimethoxy硅烷(MPTMS)是用于星形的Au纳米颗粒的沉积到表面的锥形光纤。传感器显示,合理的对折射率变化的敏感性为1190.5 nm / RIU。然而,作者并没有报告使用开发生物传感装置。斯利瓦斯塔瓦和古普塔(25)提出了一种多窗口光纤传感器基于多模光纤与非盟NPs修改,报告3500 nm / RIU的敏感性。有有限数量的报告在单模锥形光纤传感器与非盟修改薄膜用于生物检测的化合物(26- - - - - -28]。也许最接近的例子基于锥形光纤SPR生物传感器由Rajan et al。28),光纤的表面改性和酶农药检测。最低的传感器灵敏度高,检测浓度为1μM。

非盟电影的方法用于沉积到光纤报告到目前为止都是基于盐渍化或溅射。在大多数情况下,这些设备需要使用复杂的染料或化学物质的荧光技术检测(29日与昂贵的实验室设备)或其他设置。此外,这些方法不能提供灵活地控制敏感层的结构参数(Au薄膜),其形貌和孔隙度等对传感器性能有重大影响。

在这项研究中,我们提出一个新的替代沉积方法可以克服这些缺点,提供了一种方法来控制薄膜的孔隙度和形态。此外,我们所知,这是第一次报告的使用锥形光纤传感器来检测蛋白质浓度很低。Au-based涂层沉积在非绝热的锥形光纤使用两种方法:(i)小说组成的简单方法逐层沉积组成的聚阳离子(保利(烯丙胺盐酸盐),多环芳烃)和带负电荷的SiO2纳米颗粒的沉积(NPs)其次是带电盟NPs (ii)溅射技术,这是用于比较。LbL沉积技术是基于电荷相反的交替沉积聚合电解质(30.),是一个简单的和系统化的过程,允许控制NPs整合进薄膜(31日]。SiO2NPs赋予敏感层具有高孔隙度,而非盟NPs有助于提高光效率与分析物的互动,从而提高灵敏度的光纤设备。

对于这个工作,生物素和链霉亲和素(SV)绑定被选为蛋白质传感模型。SV生物素分子有很高的亲和力,作为他们的绑定是自然界中最强的一个共价作用[32]。在以前的报告,生物素共价黄金固定在一个硅光电传感器(33]。biotin-SV绑定过程产生可衡量的变化围绕锥形光纤的外部折射率并修改光学透射光谱,因此作为传感机制。

显示设备显示,不仅锥形光纤,而且涂层的意义特征(形态和方法)在光纤传感是一个重要的传感平台。锥形区域的光耦合特性,结合适当的和简单的Au-based nanocoatings,允许不同蛋白质的示范传感器具有灵敏度高、检测的限制(LoD)很低。

据我们所知,这是第一次,溅射技术和锥形光纤传感装置组合来演示一个蛋白,而且蛋白质锥形光纤传感器采用LbL尚未报道。

2。材料和方法

2.1。化学试剂和材料

乙醇(99%)、原硅酸四乙酯(teo),氯金酸(HAuCl4)、硼氢化钠(NaBH4)、碳酸钾(K2有限公司3),生物素((+)生物素N-hydroxysuccinimide酯),并从细菌链霉亲和素链霉菌属avidinii从σ购买。氢氧化铵(NH4哦,28%)、聚烯丙胺盐酸盐)( 、多环芳烃)、保利(钠4-styrenesulfonate) ( 、PSS)和3-aminopropyltrimethoxysilane (apt)从Sigma-Aldrich购买。所有试剂均为分析纯,使用前未经纯化。蒸馏水(18.3莫姆厘米)是通过反渗透其次是离子交换、过滤Millipore-Q(微孔,Direct-QTM)。

硅纳米颗粒(SiO2(NPs)后准备长铁楔方法34]。金纳米粒子溶液(Au NPs)准备使用[描述的合成方法35]。纳米颗粒的平均直径是SiO 250海里2非盟和5海里。

2.2。传感器制造和涂料

标准单模光纤(5μ米/ 125μm核心/包层直径,分别地。,Fibercore SM600) were tapered using an in-house system, heating the fibre using a CO2激光和拉使用旋转阶段。锥形区域的长度是1厘米,与腰直径14μm(图1)。构建系统允许获得高度可重复的光纤锥形传感器。


图1
计划的锥形光纤和SEM图像锥形的腰。

锥形光纤的涂使用两种不同的方法,如下所述。

2.2.1。溅射

第一个锥形(表示 ,14μm腰直径和ca。1厘米锥形区域长度)被溅射涂上金薄膜(36)使用DC-sputter沉积过程(Quorum Emitech K575x溅射涂布机,从群体技术)与氩的8×10分压−2mbar和电流70毫安。锥形光纤固定在一个特殊的持有人,以确保锥度是直和拉紧,允许非盟的沉积的整个表面的锥形部分光学纤维。在这种情况下没有旋转机制使用。

确定非盟在溅射过程中膜厚度、玻璃基板被放置在锥形光纤和涂层同时在相同条件下光纤。光传输测量的厚度进行了计算。涂层提供了一个统一的薄膜厚度的ca。10纳米。

2.2.2。LbL方法

第二个锥形( 、腰直径14μm和1厘米长)修改使用LbL方法报道之前(31日]。简而言之,T2锥形区域处理10毫米KOH溶液(乙醇:H2O 3: 2) 30分钟收取该地区表面消极。然后,沉浸在一个带正电荷的多环芳烃的解决方案25分钟,用超纯水清洗。之后,介绍了纤维带负电荷的SiO2NPs解另一个25分钟,然后用蒸馏水清洗和刷新N2气体。沉积过程重复三次,促进3 (PAH: SiO的沉积2NPs)影响到锥形区域(见图2)。


图2
涂层过程的示意图说明基于分层技术方法修改T2设备。

接下来,一层非盟NPs是获得SiO应用于纤维2核心盟壳纳米粒子,紧随其后的是两个额外的PSS和非盟NPs的影响。最后一个沉浸在非盟NPs执行解决方案获得非盟作为最外层,可用于生物素沉积。

透射光谱被抓获后每一步沉积的涂层对T1和T2。一旦T1和T2涂布,他们准备描述,进一步结合蛋白质。

2.3。蛋白结合的测量

6.8μ生物素M水溶液((+)生物素N-hydroxysuccinimide酯,从σ)和SV水股票的解决方案从2.5 nM,至1.33μM是准备。修改程序后,锥形光纤, 和 沉浸在一个6.8μ米生物素30分钟的解决方案。纤维然后用超纯水清洗,干下N2气体流。的 和 光纤被暴露于链霉亲和素20分钟解决方案与浓度从2.5 nM,至1.33μ米,其次是在蒸馏水洗涤。透射光谱记录后的清洗步骤的解决方案。

2.4。实验装置

实验设置用于测试 和 设备如图3。卤钨光源的波长范围350 - 2000 nm从海洋光学(hl - 2000)是光纤的连接到一个辫子。另一辫子是连接到一个紫外可见光谱仪(从海洋光学USB2000-XR1)。光谱仪的波长范围是380 - 1000 nm和分辨率0.5海里。


图3
透射光谱实验装置用于监测的光纤传感器。
2.5。电影形态描述

多环芳烃/ SiO的形态2:非盟电影使用飞利浦XL 30 (SEM)进行了研究。放置在光纤被涂上一层膜(5 nm)铂薄膜使用群体技术SC 7640自动/手动溅射样品表面的涂布机允许放电期间与电子束的交互。

3所示。结果与讨论

3.1。光学纤维改性

前面评论,锥形光纤与非盟薄膜涂层使用两种不同的方法:(i)溅射技术,(2)小说组成的简单方法逐层沉积组成的聚阳离子(保利(烯丙胺盐酸盐),多环芳烃)和带负电荷的SiO2纳米颗粒的沉积(NPs)其次是盟NPs指控。

在这两种方法中,为了描述的光学响应设备所提到的,之前的原始光谱测量涂层在室温条件和设备沉浸在水里(见图4(一)和4 (b))。最大波长位移测量空气和水之间的T1锥形纤维是ca。10 nm的范围500 - 600纳米,而T2锥形光纤的转变是ca。20 nm在700 - 900海里。这种差异在敏感性和透射光谱是由于几何形状的微小差异的过渡区变小。

(一)
(一)
(b)
(b)
图4
(a)的透射光谱 和(b) 测量前修改:黑线,在水里,红色的线,在空气中,红线,SiO沉积后2薄膜和蓝线,非盟的沉积薄膜。
3.1.1。溅射沉积( )

最初的透射谱 被记录在非盟的溅射沉积后的频谱。非盟沉积步骤导致一个重要的传输信号的衰减。边缘特征的非绝热的锥形溅射后不再可见非盟薄膜(如图4(一))。广泛的减少传输550−700 nm地区被认为是由于等离子体的非盟的电影。这些结果很好地反映了先前公布的数据(37,38]。

干涉条纹特征的消失是最可信的结果高虚部非盟国际扶轮的涂料,它抑制了激发高阶模式的锥形光纤的区域。

3.1.2。LbL沉积( )

同样,的透射谱 传感器LbL薄膜沉积过程中被记录。初始LbL步骤导致红色波长偏移由于沉积的PAH / SiO2NPs影响,这是典型的行为观察在薄膜的沉积到锥形光纤(39]。类似的行为是观察在非盟的沉积NPs(图4 (b))。振幅的变化,然而,是更大的,最有可能的结果更高的非盟NPs RI。进一步盟NPs粘附后,重要的信号损失和波长的变化观察到一些光谱区域。在与溅射过程中,并不是所有的振荡特性非盟的沉积NPs(图后消失4 (b))和一些强度峰值保持,考虑为传感机制作为参考。图4 (b)显示明显的差异在750 nm - 900 nm)地区与非盟NPs在传感器表面功能化。

不同的溅射和LbL沉积非盟电影可能与沉积膜结构的差异。在溅射的情况下,可以获得高度统一的电影(37,38),而非盟NPs SiO的附件2介孔薄膜的膜结构,不抑制高阶模式的耦合,从而保留透射谱的边缘。进一步的工作需要更详细地了解这种差异。应该注意的是,不同批量修改的T1和T2的折射率敏感传感器无法解释这样一个激烈的反应差异非盟薄膜沉积。

3.1.3。SEM表面形态

数据5(一个)和5 (b)显示的扫描电镜图像光学纤维沉积后的表面形态非盟电影使用溅射和LbL方法和SV测量后,分别。表面均匀覆盖后溅射和LbL方法但SV吸附蛋白质连接后,对应于扫描电镜图像的亮点。蛋白质的聚集导致表面粗糙。此外,铂薄膜沉积SEM示例(见部分做准备2。5)导致更高的粗糙度。应该注意的是,图5(一个)测量略锥形以外的地区,因此光纤的直径大于14μm。

(一)
(一)
(b)
(b)
图5
SEM图像的光学纤维表面形态沉积后的非盟电影使用(a)溅射和(b) LbL方法。

应该注意的是,这种沉积方法提供了更好的表面覆盖的光纤相比之前使用一个(40),SiO2第一次修改与非盟NPs然后放置在长周期光栅光纤传感器。两级沉积方法提出了允许更好的表面覆盖,稍后将显示,高灵敏度SV。典型的表面粗糙度的非盟薄膜溅射后0.3 - -0.8 nm (41]。

3.2。传感蛋白结合的原则

T1和T2的传感原理是基于隐失场理论(42]。锥形光纤存在透射光谱特征损失由于耦合的基本核心模式第一锥形区域的高阶模式。这些高阶模式部分泄漏到周围介质,因此在复合干扰在第二锥形区域的基本模式。周围介质的RI的变化导致修改的耦合条件,伴随着修改透射谱的锥形光纤传感器。通常,干涉条纹的变化在两个波长的位置和强度损失是观察(39]。一般使用非绝热的蜡烛,因为他们的突然转换生成一个锥形区域的模式,以及这些模式之间的干扰产生透射谱的边缘特征。监测两个边缘的强度和波长都可以提供更好的内在属性的敏感性。发现这些边缘沉积的涂层后消失,但它仍可能监控分析物诱导透射强度的变化。一旦锥形区域涂上适当的捕获层,他们可以作为敏感区域感兴趣的分析物。

biotin-streptavidin绑定过程从文献[是众所周知的35,43]。绑定的SV生物素涂层纤维产生可检测的测量折射率的变化(RI)。外部国际扶轮当链霉亲和素与生物素结合的增加加剧了光传输损失。根据隐失场理论(41),当外部媒体RI高于核心RI,如果外部国际扶轮的区别和核心国际扶轮的增加,那么光损失也会随波长变化的干扰特性(44,45]。SV分子与生物素结合的数量取决于SV的浓度。基于这个绑定依赖和传感原理,可以检测SV浓度改变波长光谱的强度函数。这种行为在550 - 900纳米范围是监控和代表 和 在一个广泛的浓度从2.5 nM至1.33μM。

3.2.1之上。Sputtering-Based传感器( )

根据前面所讨论的传感原理,光信号水平变化范围广泛的波长随着SV浓度的增加。信号损失高光谱中观察到绑定的SV水平。的透射光谱 SV治疗后数据所示6和S1,在网上补充材料http://dx.doi.org/10.1155/2016/8129387。

(一)
(一)
(b)
(b)
图6
(一)透射光谱的变化在不同的SV浓度500 - 650 nm的波长范围;(b)强度峰值变化为每个SV浓度和相应的朗缪尔等温线fit ( 设备)。

气急败坏的Au薄膜导致的衰减强度在550 nm - 700 nm范围内由于表面等离子体共振(SPR)的现象。非盟SPR乐队的存在提供了更多的信号损失在这个波长范围(见图6(一))。在SV-biotin绑定,降低强度。光谱行为可以描述如下。SV浓度较低时,透射光谱呈现更多的大小的变化由于更高的自由与SV生物素分子结合。此外,通过增加SV溶液中的浓度,免费的生物素的数量减少,直到达到饱和阈值。这种行为是详细报道3.3。

3.2.2。LbL-Based传感器( )

为 传感器、更高层次的光学损失随着SV浓度也被观察到。的 强度变化更受到SV浓度的影响,相比的结果 传感器。透射谱是监测SV浓度从2.5 nM,至1.33μ(数据7和S2)。


图7
透射光谱变化测量使用 设备在不同的SV浓度。

减少信号强度与SV浓度的增加观察。这些实验结果也可以通过测量分析干扰的波长变化的透射光谱特性,强度峰值在ca。825海里显示转变1.33 7.8 nm的接触μM SV浓度,图8(一个)。绑定过程与生物素生物素和SV之间发生分子包覆在纤维和SV的分子在溶液中。策划一起蛋白质绑定数据和相应的强度值,一个倒置的关系。的 传感器可以检测SV浓度的两种方法:通过波长变化和强度变化。

(一)
(一)
(b)
(b)
图8
(a)细节透射光谱的波长区域的转变是观察( 设备);(b)信号极大值强度(黑色方块)和各自的波长位置值为每个SV(红色方块)浓度( 设备)。误差代表空白的标准偏差的测量和波长变化考虑解决光谱仪±0.25 nm和±70计数强度测量。

波长转换的函数SV浓度遵循朗缪尔绑定模型(46,47]。根据朗缪尔等温线方程,平衡绑定常数( )决心中描述46]。获得的 值 米−1和朗缪尔等温线图显示了很好的拟合实验结果图9(一个)。此外,强度变化遵循相同的绑定模型结合常数 的 米−1(见图9 (b))。

(一)
(一)
(b)
(b)
图9
绝对波长偏移值(a)和(b)强度峰值变化为每个SV浓度和相应的朗缪尔等温线 设备。误差代表空白的标准偏差的测量和波长变化考虑解决光谱仪±0.25 nm和±70计数强度测量。

时应该注意,灵敏度更高强度测量相比,通过使用波长位移检测方法,因此会导致更大的结合常数,数据9(一个)和9 (b)(数字S3-S5)。

3.3。 和 比较

从之前的测量使用 和 设备,峰值强度分析计算传递函数。

峰值强度值在575海里(图S1) 表示在图10。三个峰值强度值 在700 - 900海里区域(ca。715、765和825海里)作为SV浓度的函数也会显示出来。这些情节代表的对数行为的光谱特征 和 biotin-SV绑定过程中设备的强度。他们可以安装和视为传感器传递函数或校准的情节。是很重要的话,它们覆盖SV浓度的宽动态范围,但也表现出非常高的灵敏度主要为最低浓度(从2.5到19 nM范围在两个设备)。应该注意的是,两个传感器在不同光谱范围最高灵敏度。这预计,因为这部电影的不同结构的影响及其影响锥形传感器的光学性质,数字4。


图10
和 转移功能:最大峰值强度不同的SV浓度正常化后对捕获的光谱峰生物素粘附(零SV浓度)。误差线代表空白的标准偏差测量强度测量(±70项)。

根据这些结果, 和 显示所有SV浓度范围变化强度,从而提供蛋白质检测至少2.5海里。检测的SV计算的极限浓度产生一个信号平均噪音水平的3倍(32.82 a.u。) [48]。这些LoD M和 米为 和 分别(数据图S6和S7)所示,显示传感器与SiO修改2:非盟NPs ca。低3倍LoD传感器使用溅射准备。应该注意的是,两个值相似或优于其它光纤设备(7,49- - - - - -51]。

的 设备有更高的灵敏度和可以检测SV通过使用三种不同的波长峰值浓度变化。此外, 也可以通过监测波长变化检测SV变化从而允许额外wavelength-based传感测量。715纳米的高灵敏度是最有可能由于越接近峰值位置的SPR峰与峰波长更长。

之间的差异的来源 和 设备位于他们的敏感地区和纳米形态。事实上,关键因素是这些涂料的SV吸收能力。一方面,LbL涂层形貌和非盟NPs提供了一个更高的比表面积粘附的生物素分子。此外, 提出了更高的灵敏度在该地区约750 - 800 nm相关局部表面等离子体共振由于非盟NPs-SiO的存在2NPs组合,据报道在52,53]。根据这一点, 提出了高门槛饱和度和高动态范围。另一方面, 提供更少的面积分配生物素分子由于其盟单层均匀,因此灵敏度比 。然而,据报道之前,这两个设备相关的LoD值(806点 271点 )。尽管如此,部分中提到3.1,敏感设备的批量折射率T1和T2之前修改是不同的,这无法解释的因素3倍的LoD SV之间的差异 和 。

4所示。结论

在这篇文章中,两个新颖的蛋白质传感器基于锥形光纤报道,分析和比较。传感器( 和 )涂在锥形纳米Au-based涂料的地区。的情况下 传感器、锥度是涂有10 nm盟使用溅射薄膜技术。为 三种多环芳烃的影响:SiO2NPs,其次是2影响的非盟NPs:盟NPs PSS和最后一层,逐层沉积到锥的方法。

这两个 和 传感器被涂上一层生物素为SV提供结合位点的分子。Biotin-SV绑定是通过监控发现光学损失锥形光纤的透射光谱。设备的传感原理是使用隐失场理论解释。更高浓度的SV与生物素产生额外的信号损失,由于传感层RI的变化。当外部RI高于核心RI,传感层之间的差异RI和核心RI增加,光学损失增加。

和 暴露在SV浓度从2.5 nM到1.33吗μ米,和他们的反应监控和分析。 和 提出了对数响应(光信号与SV浓度)一如预期给定已知SV-biotin绑定的反应。这两个 和 传感器可以检测水平的SV低于2.5海里。 提供增强的结果的灵敏度和动态范围,它也可以探测到SV变化从3同时峰值测量,使用波长三班测量。LbL涂料基于非盟NPs有更高的表面积比气急败坏的盟薄膜,所以他们更高效的生物素粘附过程中,因此在SV浓度检测。

未来的工作可能会专注于改善和优化传感器设计得到更低的LoD和改进属性在选择性方面,动态范围,传感器响应时间。在这工作的绑定时间是20分钟,从以前公布的工作(5]。

这些涂层传感器的发展表明,锥形光纤的概念及其配置能够检测不仅蛋白质,而且其他物质,如挥发性有机化合物气体,和相对湿度,超低LoD值。

数据访问

查询有关访问研究数据或其他材料指在这篇文章中,请联系克兰菲尔德大学图书馆和信息服务,(电子邮件保护)。

相互竞争的利益

作者的状态,没有任何利益冲突。

确认

这部分工作是支持西班牙经济产业省和Competitiveness-CICYT-FEDER tec2013 - 43679 r研究资助和UPNA博士前的和流动性研究经费。作者也承认英国工程和物理科学研究委员会的支持平台格兰特(EP / H02252X / 1)和响应模式格兰特(EP / L010437/1)。作者也承认EPSRC的支持EP / G061661/1先进的超声学平台格兰特,诺丁汉大学工程学院院长奖。

补充材料

补充材料提供额外的透射光谱信息修改后的锥形光纤传感器和检测极限的计算。

  1. 补充材料