optical biosensors and applications
Upload: national-science-and-technology-development-agency-nstda-thailand
Post on 29-May-2015
1.814 views
DESCRIPTION
Optical Biosensors and ApplicationsTRANSCRIPT
1
Optical biosensors and applications
บุญสง สุตะพันธ
Photonics Technology LaboratoryNECTEC
�������������� �������� �����
�������ก���ก• Biological sensing materials: DNA-DNA, Antibody-Antigen, Protein-Protein, etc.
• Transducers: Fluorescence, Absorbance, Scattering, SPR, LSPR, etc.
• Sensor chips• Fluidics: Flow-through, drop-in, etc.
Optical transducers
• Labeling technique
Fluorescence(Microarrays)
Absorbance (ELISA) Scattering (LSPR)
• Label-free technique
Refractive index change(SPR)
• Surface plasmon resonance (SPR)
Biacore systems
GWC’s SPR imagerNECTEC’s SPR imager
ตัวอยางการประยุกตใชงาน
• Localize surface plasmon resonance (LSPR)
DNA array detection with nanoparticle probes
(Nanosphere inc.)DNA direct detectionUltrasensitive PSA detection
หัวขอ
Surface plasmon resonance biosensors
Surface plasmon resonance (SPR)
Sample (nS)
Au (nAU)
Prism (nP) 10 20 30 40 m
50 nm
-
Antibody/AntigenAntibody
SPR curves
Biomolecule interactions
• Antigen-antibody• Receptor-ligand• DNA-DNA• DNA-protein• Cell-cell• Protein-sugar• etc.
SPR ����������������ก��� ! �ก��"�#�$���%���&�$�!����&��&������ก���ก ������'!กก!��(��)����*�������ก%�������&�"�#�$���&ก�&%+������ก������ ���� ��&�(��ก%���$��������!����
2
*��"��&*�����
www.biacore.com
Typical real-time data
• Label-free• Real-time monitoring• Multiplex detection• High-sensitivity
< 10-6 RIU, typical
• “Sensitive to everything”• Non-specific bindings
SPR subsystems (Biacore 3000)
Flow cell (60 nL)
• SPR optics• Sensor chip (biochip)• Flow cell
www.biacore.com
Handbook of Surface Plasmon Resonance
Biacore SPR systems ��*!���&#�ก!�� ��!�
�,''(������$!��-!���' (�+����*�����/(�)
• Unique technology solutions with strong IPSPR detection, Chip surface chemistry, Microfluidics, Instrument system integration
• A competent young and hungry development team
• Capital and backing by established organisation � Pharmacia
� Private investment “Kommanditbolag”
� In total ~500 MSek (~80 MUSD)
SPR imager (GWC technologies)
SPR imaging �!�!�1� �23ก/!ก!��*�!�4�ก(�*������ก+��!� "$5!)��)����ก(���!��4������%���� �����ก+�6�!ก ��&%�$'$(���������"�����
G. Steiner, Anal Bioanal Chem (2004) 379: 328–331
3
Wavelength-tunable SPR imager
7-ch flowcell
Sensor chip
Sample injection
Dynamic range > 3x
Flowcell fabrication technique
Precision aluminum mould
• Aluminum molding• Integrated fluidic connections• Flow cell volume: 5 µL• Made before use
7-ch PDMS flowcell
การตรวจหาแบคทีเรียโรคพืช
Co
ntr
ol
107
5x10
6
2.5x
106
0 20 40 60 80 100
-200
20406080
100120140160180
Aac
HT=Healthy sap
107
107+HT
5x106+HT5x106
Control
µµ µµR
IU
Time(min)
การประยุกตใช SPRi สําหรับการตรวจวัดเช้ือแบคทีเรีย Acidovoraxavenae subs. citrulli (Aac) ท่ีกอใหเกดิโรคผลเนา (bacteria fruit blotch) ในพืชตระตูลแตง
ภาพและขอมูล: ผศ.ดร.เติมศักดิ์ ศรีคริินทร มหาวิทยาลัยมหดิล
การลางผิวเซนเซอรเพ่ือใชซํ้า (Surface regeneration)
0 40 80 120 160
-40
-20
0
20
40
60
Aac
glycine pH 2.0
µµ µµR
IU
Time(min)
ภาพและขอมูล: ผศ.ดร.เติมศักดิ์ ศรีคริินทร มหาวิทยาลัยมหดิล
7 ����������������ก����������� � ��ก! �����"#$� ������� �����ก�� 7 ก��%���&'�����(&&#��� ��ก! skin prick test ��� ImmunoCAP7 �!��9�&!����ก��:�%& 500 ��:!�:�%&����������� 1 9��
�>��>��������������������� �%��������?��@�%���A���
��B���� ��?��ก��:�%&%� ���������� �� � �A����C:�%&%� �����ก��������������D�� ��% ����9��%����ก��:�%&���� � :���#���ก��@��:�@!�9�� �����ก!ก���9���ก�� :�%&�� ก������E�ก!����กF���!�������� &�ก�����@���9���%9�G:!���
����� ������
�������
�����
������
�����
��� �������
�������
��� �ก��
�����
�ก��
ภาพและขอมูล: ผศ.ดร.เติมศักดิ์ ศรีคริินทร มหาวิทยาลัยมหดิล
�!�$�'(���&)(8�!�"���!$���!�(�����
• ������������-!��(�%�$'����"��"����)� (%�$'����)(�9)
• ��������!�����-!��(�%�$'�(�������54���)�
• ��������!�����-!��(�%�$'ก�+:�����
• ��������!�����-!��(�%�$'�(ก���#4��;$�����%
#2.�.�%��2(ก�= 2�"�������
4
1
1
1-3
100
CM5 (Biacore) �#�� �) CM5
�"��%�"��*3M����
1'-!�$���4� carboxyl %�� glucose unit (groups)
0.89�$!���!����*����4�Carboxyl (nmol/cm2)
1.63�$!���!����*���!�����ก����� (ng/mm2)
140�$!���!*�� (M��ก����� (nm)
Biacore SPR Chips: CM5
Carboxymethyl dextran(100 nm)
(50 nm)
�#���ก�$
�#���_�����
0 5 10 15 20 250
2
4
6
[Goat anti-mouse IgG] (µg/mL)∆
Refle
ctivit
y cha
nge (
%)
[Mouse IgG] = 50 µg/mL
�#�� �)�!�ก!���!�#�� �)�"��%�"��*3M����
ดร.กตญัชลี ไมงาม/MTEC Design of Bimodal Dextran-Based Chip
�ก����� (M���ก�-!��(�%�3����ก�
�ก����� (M����-!��(��ก!��ก!&%($���!�����6)!&�'!&'�*���!�%($���!�
�&�&��!��&�$�!��ก������!�����!$�!�!�114ก��(��)���������!&ก(�*�!*���!��"�%���ก!�$����!&�
0123456789
10
0 10 20 30 40 50
1 mg/mL HMW Dex25 mg/mL HMW Dex300 mg/mL HMW Dex
Ref
lect
ivity
cha
nge
(%)
[Goat anti-mouse IgG] (mg/mL)
RC
infle
cted
shrim
p-
hea
lthy
shrim
p(%
)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1 mg/ml 25 mg/ml 300 mg/ml
Dextran concentration
White Spot Syndrome Virus
����"ก!����"�������*���(kk!l������ ��#�� �)�!�ก!���! � ���"�$ก(�ก�l" [dextran] = 300 mg/ml
ดร.กตญัชลี ไมงาม/MTEC
Opportunity
- ก!�%�$'$����!&��!����"��"���&�$�(����$�!�(��$���$ก������ก���&�� ���� ���2�/nก�'���!��!ก���+%�!�ก����+%�!�ก����!�ก!��ก/%� �!�!���&�!�ก!��)��
- ����"��"���&�$�(��"*�!��k��ก��ก$�!�"�'&� ��#�� �)�!�ก!���! ��*l&�"��#�� �)��� Bimodal Dextran �!�!�1$����!&��$�(��"��"*�!��k�13� 400 �!����%��� ��&�!$�!��!'&�!�!�1$����!&��!����"��"��"��(�$���"*�!��&�!l 1 �������%��� (ก-!�(���4����&�$�!�ก!�23ก/!)
ดร.กตญัชลี ไมงาม/MTEC %($���!�ก!�%�$'$(����ก+�*�!���ก(Testosterone)
Physiologically relevant range: 29-290 pg/mL.
LOD: 3.7 pg/mL (buffer)15.4 pg/mL (saliva)
Measurement time: 13 minutes
Regeneration cycles:> 330
Mitchell and Lowe, Biosen. Bioelectron. 2008.
Ultrasensitive DNA arrays
LOD: 41 zM (450 µL)Measurement time: 40 minutes
D’Agata et al., Biosens. Bioelectron. 2010.
Localized surface plasmon resonance biosensors (LSPR)
5
Nanostructured metallic particles
N.L Rosi and C. Mirkin, Chem Rev. 105 (2005) 1547-1562.
���ก%�(�ก!�ก�&�'��'!ก��+5!��"��$AU NP : 40-100 nm
D.A. Schultz, Curr. Opinion Biotec. 14 (2003) 13-22
www.tedpella.com
• Nanotechnology-based molecular diagnostics company
• 1998 Mirkin and Letsinger at Northwestern University ย่ืนจดสิทธิบัตรการเทคนิคการใชอนุภาคนาโนของทองเปนโมเลกุลฉลากสําหรับการตรวจวัด DNA
• กอตัง้ในป 2000 • งบลงทุน > 300 M USD
• Technology platforms(1) Gold nanoparticles as labels for DNA microarrays(2) Bio-barcode assays for ultrasensitive detection (proteins and DNA)
• 2008: 96 issued patents/ 163 pending patent applications• 2008 First commercial product
Nanosphere Inc.(www.nanosphere.us) Nanosphere’s direct detection of nucleic acids
• ใชอนุภาคนาโนของทองติดฉลากดวยดีเอ็นเอเปนโพรบ มีความไว(sensitivity) สูงกวาการใชโมเลกุลสารเรอืงแสงเปนฉลาก ประมาณ1,000 เทา
• บอกความแตกตางระหวาง perfectly complementary target strand/A single base mismatch ไดดกีวาการใชโมเลกุลสารเรืองแสง เน่ืองจากมี sharp DNA melting profile
การอานคา grayscale- Optical scanner- Scattering technique
Refs. Taton et al., Science 289 (2000) 1757 and Storhoff et al. 19 (2004) 875.
Optical detection system ��� �������ก!�ก�&�'�����
Nanosphere’s image analyzer
Detectiontechnique
LOD of nanoparticle probes 0.0025 probes/µm2.
Bio-barcode assay (for ultrasensitive DNA detection)
Polymerase chain reaction (PCR)• 5-10 copies sensitivity level• Complex, expensive • Time-consuming, labor intensive
มีวิธีอื่นท่ีเหมาะสมกวา?
Nam et al., J. Am. Chem. Soc. 126 (2004) 5932.
การอานคา grayscale- Optical scanner- Scattering technique
30nm AuNPTotal DNA: 360Barcode DNA/Target DNA: 70:1
6
Bio-barcode assay (for ultrasensitive DNA detection)
Sensitivity: 500 zeptomolar (zM = 10-21),10 copies/30 µL
Assay time: 3-4 h
Single base mismatch experiment
Nam et al., J. Am. Chem. Soc. 126 (2004) 5932.
Bio-barcode assay(for protein detection)
Prostate specific antigen (PSA) levels
0 0.33 3.3 16.6 33.3 pg/mL
Limit of detection (LOD)
• Gold nanoparticle bio-barcode assay 330 fg/mL.• Commercial immunoassays (ELISA) 0.1 ng/mL
Prostate cancer recurrence can be early detected.
Thaxton et al. PNAS 106 (2009) 18437-18442
Bio-barcode assay & microfluidics• chip-based system• เวลาและขั้นตอนการใชงานลดลง• ไมตองใช magnetic microparticle probes
LOD (PSA) : 10 fM (buffer), 40 fM (serum)
Assay time: 80 minutes
Goluch et al. Biosens. Bioelctron. 24 (2009) 2397.
7
��+�
• SPR/SPR imaging เหมาะสําหรับการตรวจคัดกรองและเคร่ืองมือสําหรับวิเคราะหในหองปฏิบัติการ
• LSPR เหมาะสําหรับพัฒนาเปนเคร่ืองมือวัดทั่วไป
• การวิจัยและพัฒนาดาน Biosensors มีศักยภาพในการพัฒนาไปสูเชิงพาณิชย เน่ืองจากมีความพรอมหลายดานและความตองการใชงานสงู