具有共振介质纳米结构的共径干涉无标记蛋白质传感

科技工作者之家 2020-07-31

来源:两江科技评论

来自英国约克大学的科学家们Isabel Barth, Donato Conteduca, Christopher Reardon等人近日发表了题为“Common-path interferometriclabel-free protein sensing with resonant dielectric nanostructures”的高水平论文。高灵敏度,低成本和可靠技术的需求推动了面向护理点应用和个性化医疗的光子生物传感器的研究。干涉测量法是最灵敏的方式之一,它可提供特别高的性能,但通常缺乏所需的操作简便性和稳定性。该文章提出了一种基于导模共振的共径干涉传感器,可以将高性能与固有稳定性相结合。该传感器利用两个正交极化模式的同时激发,并且检测由传感器表面上生物分子结合引起的相对相变,见图1。该文章已发表于国际顶级光学期刊:Light: Science & Applications

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图1 相敏检测原理示意图
02研究背景

开发护理点(POC)诊断设备的挑战,在于需要在非专业人员可以操作的低成本平台上高灵敏度检测低浓度生物标志物。实现这一目标将为改善诊断测试和速度提供新的机会,并将为迈向个性化和分层治疗奠定基础。例如,降钙素原(PCT)是引起人们越来越多关注的炎性生物标志物,它可以促进细菌感染和病毒感染之间的区分。因此,能够检测PCT的高度灵敏的POC设备可以帮助合理而有针对性地使用抗生素,并减少抗菌素耐药性的扩散。

1)基于倏逝场折射率感测的光子传感器非常适合这种高灵敏度和无标记的生物感测;在这些传感器中,干涉测量方法可提供特别低的检测限(LOD)。高性能干涉仪系统的示例包括基于平面光波导的集成Mach-Zehnder干涉仪和Young干涉仪,但这些方法的缺点是需要将精确的光耦合到波导中,这意味着需要高精度的角度和空间对齐。

2)使用平面外激励而不是波导耦合的传感器模态可以提供更高的简便性和容忍度。然而,这种方法的缺点是灵敏度和动态范围之间的权衡。

3)另一种方法是利用金纳米孔阵列的相敏度,该阵列已显示出LOD约为10-4RIU,对蛋白质的检测极限为数十µg mL-1范围。

该文章的POC应用的工作目标是保持简单性,同时提高灵敏度和动态范围。关于简单性,大多数高性能传感器都需要昂贵的光源,光谱仪或其他读出仪器,并且通常需要精确的耦合装置。介质超表面和导模共振(GMR)提供了平面外耦合,高灵敏度以及宽范围的多路传感功能,见图1。特别是,啁啾GMR方法将光谱转换为空间信息,从而消除了对光谱仪的需求,为将来的小型化提供了必要的简便性,并为许多生物传感应用提供了所需的灵敏度。由于其敏锐的相位响应和基于傅立叶分析的强度噪声容忍度读,将具有固有稳定性的共径干涉测量法应用于此类介质共振结构可以进一步降低检测极限。

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图2 GMR结构和仿真结果示意图

03创新研究

该文章在确保稳定性的同时将GMR的简单性与干涉测量法的高灵敏度相结合,通过参考介电纳米结构的两个正交极化且独立优化的谐振模式,开发了一种共径干涉测量法。通过测量两种模式之间的相对相位变化,而不是单个模式的绝对变化,该方法将机械噪声,热噪声和激光噪声的影响降至最低。

传感器的宽动态范围对于制造,角度容忍以及多功能性至关重要,这可通过在视场中集成多个调谐结构来控制。这种方法不需要考虑灵敏度和动态范围之间的折衷,这是相位敏感的模式所特有的,不会增加复杂性。文章提出的传感器可在临床相关浓度为1pgmL-1,信噪比为35条件下,实现具有挑战性的无标记的降钙素原(PCT)检测,降钙素原是一种小蛋白(13kDa)和感染生物标志物,见图3。该结果表明本实用新型在抗生素指导中的示例性应用成为可能,并为通过简单而强大的传感方式进一步检测临床或环境相关的小分子开辟了可能性。

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图3 蛋白质检测

由于该系统的视野较大,因此可以添加其他功能。轻松实现用于多重化的其他抗体通道,从而提供并行检测多个生物标志物的能力。重要的是,生物分子超低检测限不依赖于主动稳定的激光源或稳定的环境。由于采用了公共路径干涉测量方法和差分漂移补偿方案,因此该传感器可以在不稳定的环境中运行,该低成本传感器带有低成本的激光二极管源和用于读数的摄像头,可以用市场大规模应用。 

来源:imeta-center 两江科技评论

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