optical biosensors and applications

7
1 Optical biosensors and applications บุญสง สุตะพันธ Photonics Technology Laboratory NECTEC กก • 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 imager NECTEC’s SPR imager ตัวอยางการประยุกตใชงาน Localize surface plasmon resonance (LSPR) DNA array detection with nanoparticle probes (Nanosphere inc.) DNA direct detection Ultrasensitive PSA detection หัวขอ Surface plasmon resonance biosensors Surface plasmon resonance (SPR) Sample (n S ) Au (n AU ) Prism (n P ) 10 20 30 40 m 50 nm - Antibody/Antigen Antibody SPR curves Biomolecule interactions • Antigen-antibody • Receptor-ligand • DNA-DNA • DNA-protein • Cell-cell • Protein-sugar • etc. SPR กก กก

Category:

Technology


4 download

DESCRIPTION

Optical Biosensors and Applications

TRANSCRIPT

Page 1: Optical Biosensors and Applications

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%�������&�"�#�$���&ก�&%+������ก������ ���� ��&�(��ก%���$��������!����

Page 2: Optical Biosensors and Applications

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

Page 3: Optical Biosensors and Applications

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�"�������

Page 4: Optical Biosensors and Applications

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)

Page 5: Optical Biosensors and Applications

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

Page 6: Optical Biosensors and Applications

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.

Page 7: Optical Biosensors and Applications

7

��+�

• SPR/SPR imaging เหมาะสําหรับการตรวจคัดกรองและเคร่ืองมือสําหรับวิเคราะหในหองปฏิบัติการ

• LSPR เหมาะสําหรับพัฒนาเปนเคร่ืองมือวัดทั่วไป

• การวิจัยและพัฒนาดาน Biosensors มีศักยภาพในการพัฒนาไปสูเชิงพาณิชย เน่ืองจากมีความพรอมหลายดานและความตองการใชงานสงู