Nền tảng phát hiện huỳnh quang nâng cao bằng plasmon nhờ xử lý nhiệt cho phép phát hiện chính xác kháng nguyên/kháng thể trong các bệnh truyền nhiễm

Nano Research - Tập 16 - Trang 3215-3223 - 2022
Ying Yue1, Jingjie Nan1,2, Yuanyuan Che3, Hongqin Xu4, Weihong Sun1, Feiran Zhang1, Lei Wang1, Wei Xu3, Junqi Niu4, Shoujun Zhu1,2, Junhu Zhang1,2, Bai Yang1,2
1State Key Laboratory of Supramolecular Structure and Materials, College of Chemistry, Jilin University, Changchun, China
2Joint Laboratory of Opto-Functional Theranostics in Medicine and Chemistry, The First Hospital of Jilin University, Changchun, China
3Department of Laboratory Medicine, The First Hospital of Jilin University, Changchun, China
4Department of Hepatology, Center of Infectious Diseases and Pathogen Biology, The First Hospital of Jilin University, Changchun, China

Tóm tắt

Công nghệ huỳnh quang nâng cao bằng plasmon (PEF) là một chiến lược mạnh mẽ để cải thiện độ nhạy của hệ thống vi mạch miễn dịch (IFMA). Tuy nhiên, các phương pháp hiện tại để xây dựng nền tảng PEF đều hoặc tốn kém/thời gian hoặc phụ thuộc vào thiết bị chuyên dụng. Trong nghiên cứu này, chúng tôi phát triển một phương pháp hoàn toàn mới dựa trên một quy trình hai bước bao gồm tự lắp ráp các hạt nano vàng (GNPs) tại giao diện nước-dầu và điều chỉnh khoảng cách nano vàng được hỗ trợ bởi xử lý nhiệt. Nền tảng GNP được xử lý nhiệt (TA-GNP) của chúng tôi tối ưu hóa tạo ra các điểm “hot spot” phù hợp và do đó sản sinh ra sự kết hợp điện từ mật độ cao, cuối cùng cho phép tăng cường huỳnh quang gấp 240 lần cho các thuốc nhuộm được kiểm tra trong vùng hồng ngoại gần. Đối với việc phát hiện lâm sàng các mẫu từ người, TA-GNP cung cấp độ nhạy cực cao và giới hạn phát hiện thấp cho cả kháng nguyên bề mặt virus viêm gan B và kháng thể SARS-CoV-2, đi kèm với một dải động phát hiện được cải thiện đến sáu bậc độ lớn. Với khả năng phát hiện nhanh, độ nhạy cao và giới hạn phát hiện thấp, TA-GNP không chỉ cải thiện đáng kể kết quả của y học chính xác dựa trên IFMA mà còn tìm thấy ứng dụng trong các lĩnh vực nghiên cứu protein và bệnh lý lâm sàng.

Từ khóa

#Huỳnh quang nâng cao bằng plasmon #hạt nano vàng #vi mạch miễn dịch #độ nhạy phát hiện #bệnh truyền nhiễm.

Tài liệu tham khảo

Tabakman, S. M.; Lau, L.; Robinson, J. T.; Price, J.; Sherlock, S. P.; Wang, H. L.; Zhang, B.; Chen, Z.; Tangsombatvisit, S.; Jarrell, J. A. et al. Plasmonic substrates for multiplexed protein microarrays with femtomolar sensitivity and broad dynamic range. Nat. Commun. 2011, 2, 466. Hou, S.; Chen, Y. H.; Lu, D. R.; Xiong, Q. R.; Lim, Y.; Duan, H. W. A self-assembled plasmonic substrate for enhanced fluorescence resonance energy transfer. Adv. Mater. 2020, 32, 1906475. Liu, T. C.; Hsiung, J.; Zhao, S.; Kost, J.; Sreedhar, D.; Hanson, C. V.; Olson, K.; Keare, D.; Chang, S. T.; Bliden, K. P. et al. Quantification of antibody avidities and accurate detection of SARS-CoV-2 antibodies in serum and saliva on plasmonic substrates. Nat. Biomed. Eng. 2020, 4, 1188–1196. Liu, B.; Li, Y. L.; Wan, H.; Wang, L.; Xu, W.; Zhu, S. J.; Liang, Y. Y.; Zhang, B.; Lou, J. T.; Dai, H. J. et al. High performance, multiplexed lung cancer biomarker detection on a plasmonic gold chip. Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 7994–8002. Xu, W.; Wang, L.; Zhang, R.; Sun, X. M.; Huang, L.; Su, H. Y.; Wei, X. B.; Chen, C. C.; Lou, J. T.; Dai, H. J. et al. Diagnosis and prognosis of myocardial infarction on a plasmonic chip. Nat. Commun. 2020, 11, 1654. Zhang, B.; Kumar, R. B.; Dai, H. J.; Feldman, B. J. A plasmonic chip for biomarker discovery and diagnosis of type 1 diabetes. Nat. Med. 2014, 20, 948–953. Huang, Y.; Zhu, H. Protein array-based approaches for biomarker discovery in cancer. Genomics Proteomics Bioinf. 2017, 15, 73–81. Bernard, A.; Michel, B.; Delamarche, E. Micromosaic immunoassays. Anal. Chem. 2001, 73, 8–12. Rowe, C. A.; Scruggs, S. B.; Feldstein, M. J.; Golden, J. P.; Ligler, F. S. An array immunosensor for simultaneous detection of clinical analytes. Anal. Chem. 1999, 71, 433–439. Jeong, Y.; Kook, Y. M.; Lee, K.; Koh, W. G. Metal enhanced fluorescence (MEF) for biosensors: General approaches and a review of recent developments. Biosens. Bioelectron. 2018, 111, 102–116. Fothergill, S. M.; Joyce, C.; Xie, F. Metal enhanced fluorescence biosensing: From ultra-violet towards second near-infrared window. Nanoscale 2018, 10, 20914–20929. Semeniak, D.; Cruz, D. F.; Chilkoti, A.; Mikkelsen, M. H. Plasmonic fluorescence enhancement in diagnostics for clinical tests at point-of-care: A review of recent technologies. Adv. Mater., in press, https://doi.org/10.1002/adma.202107986. Tam, F.; Goodrich, G. P.; Johnson, B. R.; Halas, N. J. Plasmonic enhancement of molecular fluorescence. Nano Lett. 2007, 7, 496–501. Zhang, B.; Price, J.; Hong, G. S.; Tabakman, S. M.; Wang, H. L.; Jarrell, J. A.; Feng, J.; Utz, P. J.; Dai, H. J. Multiplexed cytokine detection on plasmonic gold substrates with enhanced near-infrared fluorescence. Nano Res. 2013, 6, 113–120. Zhang, B.; Jarrell, J. A.; Price, J. V.; Tabakman, S. M.; Li, Y. G.; Gong, M.; Hong, G. S.; Feng, J.; Utz, P. J.; Dai, H. J. An integrated peptide-antigen microarray on plasmonic gold films for sensitive human antibody profiling. PLoS One 2013, 8, e71043. Koh, B.; Li, X. Y.; Zhang, B.; Yuan, B.; Lin, Y.; Antaris, A. L.; Wan, H.; Gong, M.; Yang, J.; Zhang, X. D. et al. Visible to near-infrared fluorescence enhanced cellular imaging on plasmonic gold chips. Small 2016, 12, 457–465. Li, X. Y.; Pomares, C.; Gonfrier, G.; Koh, B.; Zhu, S. J.; Gong, M.; Montoya, J. G.; Dai, H. J. Multiplexed anti-Toxoplasma IgG, IgM, and IgA assay on plasmonic gold chips: Towards making mass screening possible with dye test precision. J. Clin. Microbiol. 2016, 54, 1726–1733. Zhang, B.; Pinsky, B. A.; Ananta, J. S.; Zhao, S.; Arulkumar, S.; Wan, H.; Sahoo, M. K.; Abeynayake, J.; Waggoner, J. J.; Hopes, C. et al. Diagnosis of Zika virus infection on a nanotechnology platform. Nat. Med. 2017, 23, 548–550. Li, X. Y.; Kuznetsova, T.; Cauwenberghs, N.; Wheeler, M.; Maecker, H.; Wu, J. C.; Haddad, F.; Dai, H. J. Autoantibody profiling on a plasmonic nano-gold chip for the early detection of hypertensive heart disease. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2017, 114, 7089–7094. Wan, H.; Merriman, C.; Atkinson, M. A.; Wasserfall, C. H.; Mcgrail, K. M.; Liang, Y. Y.; Fu, D.; Dai, H. J. Proteoliposome-based full-length ZnT8 self-antigen for type 1 diabetes diagnosis on a plasmonic platform. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2017, 114, 10196–10201. Shan, D. Y.; Hsiung, J.; Bliden, K. P.; Zhao, S.; Liao, T.; Wang, G. X.; Tan, S. L.; Liu, T. C.; Sreedhar, D.; Kost, J. et al. A new saliva-based lateral-flow SARS-CoV-2 IgG antibody test for mRNA vaccination. medRxiv, in press, https://doi.org/10.1101/2021.06.11.21258769. Bliden, K. P.; Liu, T. C.; Sreedhar, D.; Kost, J.; Hsiung, J.; Zhao, S.; Shan, D. Y.; Usman, A.; Walia, N.; Cho, A. et al. Evolution of anti-SARS-CoV-2 IgG antibody and IgG avidity post Pfizer and moderna mRNA vaccinations. medRxiv, in press, https://doi.org/10.1101/2021.06.28.21259338. Willets, K. A.; Van Duyne, R. P. Localized surface plasmon resonance spectroscopy and sensing. Annu. Rev. Phys. Chem. 2007, 58, 267–297. Lim, D. K.; Jeon, K. S.; Hwang, J. H.; Kim, H.; Kwon, S.; Suh, Y. D.; Nam, J. M. Highly uniform and reproducible surface-enhanced Raman scattering from DNA-tailorable nanoparticles with 1-nm interior gap. Nat. Nanotechnol. 2011, 6, 452–460. Nam, J. M.; Oh, J. W.; Lee, H.; Suh, Y. D. Plasmonic nanogap-enhanced Raman scattering with nanoparticles. Acc. Chem. Res. 2016, 49, 2746–2755. Zhou, L. C.; Ding, F.; Chen, H.; Ding, W.; Zhang, W. H.; Chou, S. Y. Enhancement of immunoassay’s fluorescence and detection sensitivity using three-dimensional plasmonic nano-antenna-dots array. Anal. Chem. 2012, 84, 4489–4495. Wy, Y.; Jung, H.; Hong, J. W.; Han, S. W. Exploiting plasmonic hot spots in Au-based nanostructures for sensing and photocatalysis. Acc. Chem. Res. 2022, 55, 831–843. Song, B. X.; Jiang, Z. H.; Liu, Z. R.; Wang, Y. X.; Liu, F. X.; Cronin, S. B.; Yang, H.; Meng, D. M.; Chen, B. Y.; Hu, P. et al. Probing the mechanisms of strong fluorescence enhancement in plasmonic nanogaps with sub-nanometer precision. ACS Nano 2020, 14, 14769–14778. Kim, J. M.; Lee, C.; Lee, Y.; Lee, J.; Park, S. J.; Park, S.; Nam, J. M. Synthesis, assembly, optical properties, and sensing applications of plasmonic gap nanostructures. Adv. Mater. 2021, 33, 2006966. Chikkaraddy, R.; de Nijs, B.; Benz, F.; Barrow, S. J.; Scherman, O. A.; Rosta, E.; Demetriadou, A.; Fox, P.; Hess, O.; Baumberg, J. J. Single-molecule strong coupling at room temperature in plasmonic nanocavities. Nature 2016, 535, 127–130. Bahk, Y. M.; Kim, D. S.; Park, H. R. Large-area metal gaps and their optical applications. Adv. Opt. Mater. 2019, 7, 1800426. Chen, X. S.; Park, H. R.; Pelton, M.; Piao, X. J.; Lindquist, N. C.; Im, H.; Kim, Y. J.; Ahn, J. S.; Ahn, K. J.; Park, N. et al. Atomic layer lithography of wafer-scale nanogap arrays for extreme confinement of electromagnetic waves. Nat. Commun. 2013, 4, 2361. Duan, H. G.; Fernández-Domínguez, A. I.; Bosman, M.; Maier, S. A.; Yang, J. K. W. Nanoplasmonics: Classical down to the nanometer scale. Nano Lett. 2012, 12, 1683–1689. Chen, Y. F. Nanofabrication by electron beam lithography and its applications: A review. Microelectron. Eng. 2015, 135, 57–72. Melli, M.; Polyakov, A.; Gargas, D.; Huynh, C.; Scipioni, L.; Bao, W.; Ogletree, D. F.; Schuck, P. J.; Cabrini, S.; Weber-Bargioni, A. Reaching the theoretical resonance quality factor limit in coaxial plasmonic nanoresonators fabricated by helium ion lithography. Nano Lett. 2013, 13, 2687–2691. Kollmann, H.; Piao, X.; Esmann, M.; Becker, S. F.; Hou, D. C.; Huynh, C.; Kautschor, L. O.; Bösker, G.; Vieker, H.; Beyer, A. et al. Toward plasmonics with nanometer precision: Nonlinear optics of helium-ion milled gold nanoantennas. Nano Lett. 2014, 14, 4778–4784. Wang, Y. D.; Abb, M.; Boden, S. A.; Aizpurua, J.; de Groot, C. H.; Muskens, O. L. Ultrafast nonlinear control of progressively loaded, single plasmonic nanoantennas fabricated using helium ion milling. Nano Lett. 2013, 13, 5647–5653. Lin, Q. Y.; Mason, J. A.; Li, Z. Y.; Zhou, W. J.; O’Brien, M. N.; Brown, K. A.; Jones, M. R.; Butun, S.; Lee, B.; Dravid, V. P. et al. Building superlattices from individual nanoparticles via template-confined DNA-mediated assembly. Science 2018, 359, 669–672. Park, Y. K.; Park, S. Directing close-packing of midnanosized gold nanoparticles at a water/hexane interface. Chem. Mater. 2008, 20, 2388–2393. Song, L. P.; Huang, Y. J.; Nie, Z. H.; Chen, T. Macroscopic two-dimensional monolayer films of gold nanoparticles: Fabrication strategies, surface engineering and functional applications. Nanoscale 2020, 12, 7433–7460. Frens, G. Controlled nucleation for the regulation of the particle size in monodisperse gold suspensions. Nat. Phys. Sci. 1973, 241, 20–22. Zhang, X. M.; Zhang, J. H.; Wang, H.; Hao, Y. D.; Zhang, X.; Wang, T. Q.; Wang, Y. N.; Zhao, R.; Zhang, H.; Yang, B. Thermal-induced surface plasmon band shift of gold nanoparticle monolayer: Morphology and refractive index sensitivity. Nanotechnology 2010, 21, 465702. Xu, R.; Feng, A. L.; Li, X. D.; Hu, J.; Lin, M. Monitoring hepatitis b by using point-of-care testing: Biomarkers, current technologies, and perspectives. Expert Rev. Mol. Diagn. 2021, 21, 195–211.
Thông tin
Thông tin xuất bản

Nano Research

Tập 16

3215-3223

Thông tin tác giả