Salinan Terjemahan Bruls-lab-chip-9-35043510-2009 (1).docx

PAPER www.rsc.org/loc | Lab pada Chip

Biosensor terintegrasi cepat untuk immunoassay multiplex berdasarkan nanopartikel magnetik yang digerakkan † DM Bruls, TH Evers, JAH Kahlman, PJW van Lankvelt, M. Ovsyanko, EGM Pelssers, JJHB Schleipen, FK de Theije, CA Verschuren, T. van der Wijk, JBA van Zon, WU Dittmer, AHJ Immink, JH Nieuwenhuis dan MWJ Prins * Diterima pada 13 Juli 2009, diterima pada 8 September 2009 Pertama kali diterbitkan sebagai Artikel Lanjutan di web 15 Oktober 2009 DOI: 10.1039 / b913960ecoba Ujideteksi biomolekuler untuk tujuan diagnostik secara teknologi sangat menantang karena pengujian semacam itu menuntut integrasi penuh untuk kemudahan penggunaan dan perlu memberikan kinerja analitik yang tinggi dengan penggunaan material yang hemat biaya. Dalam artikel ini teknologi immunoassay optomagnetik dijelaskan berdasarkan nanopartikel yang digerakkan secara magnetis dan terdeteksi secara optik dalam cairan sampel yang diam. Kontrol dinamis nanopartikel oleh medan magnet berdampak pada langkah-langkah proses immunoassay utama, memberikan kecepatan yang belum pernah terjadi sebelumnya, kontrol pengujian dan integrasi mulus dari total tes. Deteksi optik menghasilkan pengujian sensitif dan multipleks dalam kartrid sekali pakai berbiaya rendah. Kami menunjukkan bahwa teknologi optomagnetik memungkinkan tes satu langkah sensitivitas tinggi dalam serum darah / plasma dan saliva keseluruhan. Obat penyalahgunaan terdeteksi pada tingkat subnanogram per mililiter dalam waktu uji total 1 menit, dan troponin I penanda jantung dideteksi pada konsentrasi sub-pikomol per liter dalam beberapa menit. Teknologi optomagnetik secara fundamental cocok untuk pengujian terintegrasi berkinerja tinggi dan diharapkan akan membuka paradigma baru dalam biosensing.

Pendahuluan Diagnosis in vitro adalah elemen kunci dari perawatan kesehatan modern dan semakin penting karena kebutuhan untuk perawatan kesehatan yang lebih efektif dan efisien. Saat ini sekitar dua pertiga dari tes diagnostik dilakukan di laboratorium terpusat, menampung berbagai macam instrumen analitis yang dioperasikan oleh teknisi profesional. Sepertiga sisanya dari semua tes saat ini dilakukan di luar laboratorium terpusat di pusat layanan rawat inap. Pengujian di tempat perawatan secara teknologi sangat menuntut karena tes harus diintegrasikan untuk kemudahan penggunaan yang tinggi dan harus memberikan kinerja analitik yang tinggi dalam lingkungan yang tidak terkendali dengan harga yang terjangkau. Sebuah contoh yang sangat sukses dari pengujian di tempat perawatan adalah pengukuran kadar glukosa oleh pasien diabetes.1 mSampel darah tusuk jarumL dimasukkan ke strip sekali pakai berbiaya rendah dan sinyal direkam dengan pembaca genggam. Teknologi pengujian berbasis enzim yang mendasari sensor glukosa sangat cocok untuk analit dalam rentang konsentrasi milolar, tetapi tidak dapat diterapkan pada analit yang ada dalam konsentrasi yang sangat rendah, misalnya pikomolar. Untuk menutupi rentang konsentrasi rendah, immunoassay menggunakan antibodi afinitas tinggi untuk mendeteksi molekul analit dengan sensitivitas dan spesifisitas tinggi. Selama beberapa dekade bidang immuno-biosensing di tempat perawatan telah didominasi oleh strip chro-matographic lateral-flow,1,2 yang didasarkan pada pengangkutan cairan sampel yang kontinu melalui media berpori dengan kekuatan kapiler. Banyak aplikasi titik perawatan memiliki persyaratan yang tidak dapat dilayani oleh teknologi lateral-flow. Dua contoh tersebut adalah skrining pinggir jalan untuk obat penyalahgunaan saliva untuk keselamatan lalu lintas, yang menuntut kecepatan tes, volume sampel kecil dan multipel analit, dan deteksi penanda jantung dalam darah, yang menuntut sensitivitas, presisi, dan presisi tinggi. , kecepatan, dan multiplexing analit. Ini mendorong pencarian intensif untuk teknologi baru yang dapat memberikan kinerja pengujian tinggi dalam format terintegrasi dengan biaya terjangkau. Beberapa teknologi deteksi immunoassay baru sedang diselidiki, misalnya melibatkan pelabelan nanopartikel, 3–5 deteksi listrik bebas label,6 pendeteksian fluoresensi,7,8 dan pelabelan oleh oligonukleotida diikuti oleh amplifikasi biokimia.9 Sebagian besar pendekatan berfokus pada sensitivitas deteksi atau multiplexing, dan bukan pada potensi integrasi teknologi. Alat tes melibatkan misalnya sampel pengenceran langkah atau transfer analit untuk cairan penyangga,3-9 (bio) kimia opment langkah ngunan,3,9 atau mencuci langkah dengan cairan penyangga.3–9 Langkahlangkah proses tersebut memerlukan penyimpanan cairan serta aktuasi cairan mekanis, yang sangat mengurangi potensi integrasi, sambil menambah waktu uji total dan penggunaan reagen. Faktanya, integrasi lengkap ke dalam kartrid uji sekali pakai berbiaya rendah yang didasarkan pada beberapa manipulasi cairan lebih sulit dicapai daripada yang dibayangkan lebih dari satu dekade yang lalu. 10 Dalam artikel ini kami mengusulkan teknologi immunoassay optomagnetik novel yang tidak memerlukan manipulasi atau penggantian cairan. Teknologi ini didasarkan pada nanopartikel yaitu Philips Corporate Technologies, High Tech Campus, 5656 AE Eindhoven, Belanda. E-mail: [email protected]; Tel: +31 40 27 48497 † Informasi tambahan elektronik (ESI) tersedia: Bahan dan

magnetis digerakkan dan terdeteksi secara optik dalam cairan sampel yang diam. Kontrol dinamis nanopartikel oleh medan magnet berdampak pada semua langkah proses immunoassay kunci, menghasilkan metode. Lihat DOI: 10.1039 / b913960e kecepatan yang belum pernah terjadi sebelumnya, kontrol pengujian dan integrasi mulus 3504 | Lab Chip, 2009, 9, 3504–3510 Jurnal ini adalah © The Royal Society of Chemistry 2009

, langkah proses pengujian yang berbeda. Deteksi optik memungkinkan pengujian sensitif dan multipleks dengan deteksi waktu-nyata dari proses Immunoassay yang penjilidan, dalam kartrid sekali pakai berbiaya rendah.

magnetis

digerakkan secara

Kami telah merancang biosensor di mana langkah-langkah proses immunoassay total nanopartikel yang tersebar. Pada tahap kedua, magnet digunakan untuk utama dikontrol dan dipercepat oleh gaya magnet yang dihasilkan oleh menggerakkan partikel nano (dan molekul analit terlampir) melalui cairan curah elektromagnet yang ditempatkan di atas dan di bawah kartrid (lihat Gbr. 1). dan memusatkannya pada permukaan yang mengikat. Partikel-partikel Kami menggunakan partikel superparamagnetik yang memiliki momen magnet digerakkan di sekitar permukaan sensor untuk memungkinkan pengikatan yang disebabkan oleh medan besar.11 Gaya pada partikel magnetik berskala biologis nanopartikel yang cepat dan spesifik ke permukaan sensor. Pada tahap dengan momen magnetiknya.12 Ini berarti bahwa partikel besar dengan momen ketiga, partikel tidak terikat dan terikat lemah dikeluarkan dari permukaan magnetik besar menguntungkan untuk gaya magnet; Namun, dalam uji biologis dengan aplikasi medan magnet dari magnet atas. Keuntungan utama partikel tidak boleh terlalu besar karena yang menghasilkan hambatan sterik menggunakan medan magnet adalah bahwa ini tidak terganggu oleh matriks untuk pengikatan biomolekul antara partikel dan permukaan. Kami telah biologis, sehingga gaya yang terkontrol dengan baik dapat diterapkan pada mengembangkan sistem aktuasi untuk partikel dengan diameter beberapa ratus nanopartikel. Gbr. 1b dan c menunjukkan cartridge yang terdiri dari dua bagian nanometer. Jala-jala elektrik diberi daya secara independen untuk menghasilkan plastik, satu dengan fluidic dan satunya lagi dengan struktur optik. Kedua bagian bidang-bidang dengan besaran dan orientasi yang dapat disetel di dalam1 plastik tersebut bergabung dengan pita perekat dua sisi biokompatibel yang telah mruang pengujianL pada kartrid. Langkah-langkah proses pengujian dipotong laser untuk menentukan ruang reaksi dengan volume 1 mL. Reagen digambarkan pada Gambar. 1a, dicontohkan dengan immunoassay sandwich. kering yang mengandung partikel magnetik dan komponen penyangga kering Pada tahap pertama, nanopartikel magnetik kering-disebarkan kembali dan ditempatkan sebagai lapisan tipis dalam rongga di atas permukaan deteksi. dicampur ke dalam cairan sampel yang memasuki kartrid. Proses redispersi Format pengujian satu langkah yang telah kami kembangkan hanya dari nanopartikel yang dilapisi antibodi terjadi hanya dalam beberapa detik dari membutuhkan cairan sampel untuk diaplikasikan ke kartrid, tanpa tambahan film tipis reagen. Selanjutnya partikel nano menangkap molekul analit dari cairan tambahan atau langkah-langkah mencuci cairan. cairan sampel. Ini adalah proses yang cepat dan efisien karena luas permukaan

Gambar. 1 Immuno-biosensor optomagnetik berbasis pada nanopartikel magnetik yang digerakkan. (a) Representasi skematis dari microchamber reaksi yang menunjukkan proses pengujian berturut-turut: (a1) pengisian microchamber, redispersi nanopartikel, dan penangkapan analit; (a2) aktuasi partikel selama proses pengikatan ke permukaan; dan (a3) penghapusan nanopartikel bebas dan terikat lemah dari permukaan penginderaan oleh kekuatan magnet. (B) Cairan microchamber ditempatkan dalam sistem optomagnetik dengan elektromagnet dan optik deteksi. Cahaya memantul dari permukaan sensor dengan intensitas yang bergantung pada konsentrasi partikel nano di permukaan sensor, oleh mekanisme refleksi internal total yang frustrasi (f-TIR). (c) Gambar kartrid sekali pakai rakitan yang terdiri dari dua bagian plastik terstruktur yang dihubungkan oleh pita perekat dua sisi. Kartrid memiliki dimensi luar 1 cm  4 cm. Kartrid berisi inlet sampel, saluran, microchamber reaksi, dan lubang angin. Volume sampel total 10 mLdisediakan, dimana 1 mLdianalisis dalam microchamber reaksi. (d) gambar f-TIR dari nanopartikel magnetik terikat ke permukaan sensor melalui immunoassay pada 31 titik pengambilan dengan125 mdiameter masingmasingm. (e) Kurva real-time skematis dari sinyal optik yang diukur untuk satu titik tangkap. Fase uji a1 – a3 ditunjukkan. Modulasi sinyal dalam fase a2 disebabkan oleh aktuasi nanopartikel magnetik yang diaktifkan.

Jurnal ini adalah © The Royal Society of Chemistry 2009 Lab Chip, 2009, 9, 3504–3510 | 3505

Pendeteksian Optik

Biosensor kami membutuhkan teknologi untuk memonitor secara sensitif

keberadaan partikel nano magnetik pada permukaan yang mengikat. Teknik sebelum pengikatan nanopartikel. Teknik deteksi optik sangat cocok dalam deteksi itu sendiri harus dapat mengakomodasi penempatan elektromagnet dekat kombinasi dengan aksi magnetik karena deteksi tidak peka terhadap medan dengan ruang pengujian, tidak peka terhadap medan magnet yang diterapkan dan magnet terapan dan karena kondisi geometri f-TIR memungkinkan harus memungkinkan pemantauan paralel dari banyak tempat mengikat untuk elektromagnet ditempatkan langsung di atas dan di bawah ruang pengujian, di pengujian multi-plexing. Kami telah menerapkan prinsip optik refleksi internal mana tingkat tinggi kontrol pengujian diperlukan. total frustrasi (f-TIR)13 untuk mendeteksi partikel nano magnetik pada Kami telah mengkarakterisasi sensitivitas dan kecepatan sistem optopermukaan sensor, seperti yang digambarkan pada Gambar. 1b. Berkas cahaya magnetik dengan merekam sinyal nanopartikel magnetik yang digerakkan dalam terkolarisasi dari dioda pemancar cahaya (l 1⁄4 625 nm) menyinari permukaan uji model, yaitu uji di mana nanopartikel berikatan dengan cepat dan kuat ke sensor dalam kondisi pantulan internal total, yaitu pada sudut insiden di atas permukaan deteksi (uji tabrak dan tongkat). Gambar 2a menunjukkan sinyal sudut kritis qcrit 1⁄4 arcsin ( n2/ n1), dengan n1 dan n2 indeks bias masing-masing sebagai fungsi waktu untuk pengujian dengan nanopartikel berlapis streptavidin kartrid plastik dan media dalam kartrid (lihat ESI † untuk detailnya). Kondisi digerakkan ke arah permukaan plastik yang tidak dilapisi. Setelah injeksi cairan, total refleksi internal terpenuhi karena fakta bahwa indeks bias plastik cartridge magnet yang lebih rendah diberi daya untuk menghasilkan fluks partikel yang (n 1⁄4 1,53) lebih tinggi daripada indeks bias media di dalam ruang pengujian konstan ke arah permukaan sensor. Gambar 2a menunjukkan satu set kurva yang (udara baik dengan n 1⁄4 1, atau cairan biologis encer dengan n z 1,33). Apa diukur untuk berbagai konsentrasi partikel nano. Sinyal muncul dalam rentang yang disebut bidang optik cepat luntur dihasilkan pada antarmuka plastik / dinamis dari sistem deteksi opto-elektronik saat ini, yaitu antara tingkat fluida, yang meluruh secara eksponensial dan menembus ke dalam fluida dengan kebisingan sekitar 0,1% dan hampir 100% untuk cakupan permukaan penuh oleh hanya jarak sub-panjang gelombang. Dalam situasi awal tanpa partikel partikel magnetik. Kurva menunjukkan peningkatan sinyal linier dalam 10 detik magnetik, tidak ada cahaya yang diekstraksi dari bidang optik cepat berlalu dr pertama dan saturasi sinyal setelahnya. Peningkatan linear berasal dari fluks ingatan. Situasi berubah secara dramatis ketika nanopartikel magnetik hadir di konstan nanopartikel menuju permukaan sensor, dengan kecepatan partikel ratapermukaan sensor. Partikel-partikel menyerap dan menyebarkan bagian dari rata sekitar 20mmsÀ1.Kejenuhan dicapai ketika semua nanopartikel dalam fluida cahaya, dengan demikian membuat frustasi total refleksi internal dan dengan terikat ke permukaan dan fluida menjadi terkuras nanopartikel. Sinyal saturasi demikian mengurangi intensitas cahaya yang dipantulkan. Keuntungan penting dapat digunakan untuk memperoleh kurva kalibrasi nanopartikel dari sistem adalah sinyal tinggi per nanopartikel karena pendeteksiantotal (yaitu deteksi, ditunjukkan pada Gambar. 2b. Sinyal sebanding dengan konsentrasi 4phamburan dan penyerapan-steradians terintegrasi), berbeda dengan prinsip partikel nano di rentang konsentrasi yang luas. Linearitas kurva adalah hasil dari deteksi yang mengandalkan hamburan cahaya ke sudut-sudut tertentu. ketergantungan linier sinyal f-TIR pada konsentrasi partikel di permukaan. Permukaan sensor dicitrakan ke kamera CCD. Gambar 1d menunjukkan gambar Sinyal sama sekitar 2% untuk kepadatan permukaan 1 nanopartikel per 31 titik pengambilan dengan125 mdiameter masing-masingm, di mana partikel 10mm2,seperti yang diverifikasi dengan menghitung nanopartikel pada nano magnetik telah terikat dalam immunoassay. Untuk satu tempat pengikatan, permukaan sensor menggunakan mikroskop optik. Gbr. 1e membuat sketsa intensitas cahaya dari berkas pantulan sebagai fungsi waktu untuk langkah-langkah proses pengujian yang berbeda. Seperti Uji Biologis ditunjukkan pada Gambar. 1e, sinyal karena adanya nanopartikel pada permukaan sensor dikuantifikasi oleh pengurangan intensitas cahaya yang Teknologi biosensor optomagnetik berbasis pada nanopartikel yang digerakkan dipantulkan dapat digunakan untuk mendeteksi rentang luas relatif terhadap total intensitas cahaya pantulan internal yang tidak terganggu

Gambar. 2 Karakterisasi sensitivitas dan kecepatan sistem optomagnetik. (a) Kurva real-time dari sinyal optik untuk partikel magnetik berlapis streptavidin dengan diameter 500 nm, tertarik ke permukaan sensor yang tidak diobati, untuk konsentrasi partikel nano 80, 160, 320, 640, dan 2000 mg mLÀ1 (kurva dari bawah ke atas) di PBS. Medan magnet diterapkan dengan kekuatan 3 Â 104 A mÀ1.(B) Kurva kalibrasi sinyal optik sebagai fungsi konsentrasi partikel magnetik. Kurva diturunkan dari nilai saturasi kurva seperti pada bagian (a). Kesesuaian linier menunjukkan bahwa sinyal optik sebanding dengan konsentrasi partikel nano selama beberapa dekade.

3506 | Lab Chip, 2009, 9, 3504–3510 Jurnal ini adalah © The Royal Society of Chemistry 2009

molekul biologis dalam pengujian berbasis afinitas. Untuk menunjukkan kinerja immunoassays sandwich yang memiliki persyaratan kuat pada integrasi, biosensor, kami telah mengembangkan berbagai kompetisi / penghambatan dan kecepatan dan sensitivitas. Penyaringan pengendara di pinggir jalan untuk

penggunaan narkoba penyalahgunaan (DoA) membutuhkan tes yang (i) nanopartikel magnetik. Modulasi sinyal terbesar dalam uji tidak mengikat (48 ng diintegrasikan untuk penggunaan mudah, (ii) dijalankan pada jenis sampel yang mLÀ1) karena nanopartikel tidak menempel pada permukaan dan memiliki dapat diakses seperti air liur, dan (iii) dapat dilakukan dengan kecepatan tinggi kebebasan bergerak (undulasi frekuensi rendah dalam sinyal adalah hasil dari agar tidak mengganggu arus lalu lintas. Satu kelas obat yang akan diuji adalah fakta bahwa pengambilan sampel optik tingkat adalah urutan besarnya sama opiat. Opiat, seperti morfin, adalah haptens yang dapat dideteksi dalam uji dengan tingkat switching magnetik). Pada langkah terakhir pada 58 detik, kompetisi.2 Antibodi yang sangat spesifik tersedia yang telah direkayasa untuk partikel yang tidak terikat dan terikat lemah dikeluarkan dari permukaan dengan mengenali opiat yang terkonjugasi dengan bovine serum albumin (BSA) serta memberi daya pada magnet atas. Kontrol uji yang efisien memungkinkan uji molekul obat asli. Dalam uji satu langkah cepat yang telah kami kembangkan, morfin untuk dilakukan, dari penambahan sampel mentah ke hasil akhir, dalam sampel air liur murni memasuki ruang uji mikro dengan partikel nano magnetik waktu sekitar 1 menit. Uji penghambatan morfin adalah kuantitatif dan tepat. dan permukaan deteksi optik. Nanopartikel difungsikan dengan antibodi anti- Gambar 3b menunjukkan perubahan sinyal rata-rata sebagai fungsi konsentrasi morfin dan dikeringkan dalam rongga di ruang uji mikro (lihat ESI I untuk morfin mulai dari 0,1 hingga 100 ng mLÀ1 dalam air liur murni, diukur dalam uji perincian persiapan). Permukaan deteksi optik dilengkapi dengan morfin satu langkah dengan pereaksi kering di dalam microchamber. terkonjugasi ke BSA. Molekul morfin dalam sampel berikatan dengan antibodi Diinginkan untuk menggabungkan penentuan simultan dari beberapa pada partikel magnetik dan menghambat pengikatannya ke permukaan sensor. obat pelecehan ke dalam satu tes tunggal, termasuk morfin, amfetamin, Gambar 3a menampilkan perilaku real-time dari partikel magnetik dalam uji metamfetamin, tetrahydrocannabinol, dan kokain. Dalam format pengujian penghambatan morfin ultra cepat pada dua konsentrasi obat, 0 dan 48 ng mLÀ1, multipleks, bintik-bintik individual yang mengandung konjugat obat untuk setiap di bawah aktuasi magnetik dan deteksi optik. Pada 32 detik pertama, partikel obat dicetak ke permukaan deteksi dan partikel magnetik dengan antibodi yang magnetik berkurang dalam sampel dan mengikat morfin. Setelah itu mereka sesuai diterapkan dalam bentuk kering di atas area deteksi dalam rongga. Kami ditarik ke arah permukaan deteksi dengan penerapan medan magnet dari magnet menggunakan pencetakan inkjet untuk menyimpan biomaterial pada permukaan yang lebih rendah. Pada fase pengikatan antara 32 dan 58 detik, partikel deteksi karena memungkinkan produksi cepat kartrid fungsional dan pelokalan mengalami aktuasi dari magnet yang lebih rendah yang secara alternatif tepat tempat dengan molekul pengikat yang berbeda, cocok untuk analitik dinyalakan dan dimatikan. Partikel-partikel ditarik ke arah permukaan ketika multiplexing tingkat tinggi. Gambar. 3c menampilkan gambar f-TIR dari uji medan aktif, dan multipleks untuk morfin, amfetamin, metamfetamin, tetrahidro- kanabinol, dan partikel mengacak posisi dan orientasi mereka ketika medan dimatikan. kokain pada berbagai konsentrasi obat.tersebut. Peralihan medan magnet menghasilkan modulasi sinyal optik karena dinamika

Gambar 3 Deteksi penyalahgunaan obat dalam air liur. (a) Jejak real-time dari sinyal optik selama immunoassay kompetitif untuk morfin, untuk konsentrasi 0 ng mLÀ1 (kurva abu-abu) dan 48 ng mLÀ1 (kurva hitam) dalam saliva 100%. Pada fase pertama, nanopartikel kering redisperse dan mengikat molekul morfin dalam sampel. Pada fase kedua, partikel nano tertarik ke permukaan sensor dengan magnet yang lebih rendah. Pada fase ketiga, partikel yang terikat dan tidak terikat dengan kuat dihilangkan dengan gaya magnet yang diarahkan menjauh dari permukaan menggunakan magnet atas. Inset menunjukkan arsitektur molekuler (morfin dalam larutan, nanopartikel dilapisi dengan antibodi anti-morfin, BSA-morfin pada permukaan sensor). Optik gambar f-TIR ditunjukkan dari tempat setelah penghapusan partikel magnetik, untuk 0 dan 48 ng mLÀ1 morfin. (B) Kurva kalibrasi sinyal optik sebagai fungsi konsentrasi morfin dalam air liur 100%, ditentukan setelah langkah penghapusan magnetik, untuk uji nanopartikel magnetik dengan reagen kering di dalam microchamber. Sebagai perbandingan: cut-off tingkat morfin dalam air liur adalah 30 ng mLÀ1 dalam pedoman awal dari SAMHSA penasehat dewan (Zat Pelanggaran Kesehatan Mental Layanan Administrasi) obat. Garis adalah panduan untuk mata. (c) Immunoassay kompetitif berganda dalam saliva 100%, untuk lima obat amfetamin (AMP), morfin (OPI), metamfetamin (MAMP), tetrahydrocannabinol (THC), dan kokain (COC), dan kontrol (partikel nano dilapisi anti biotin) ikat ke BS-terbiotinilasi pada permukaan sensor). Hasil uji multipleks negatif (kelima obat pada 0 ng mLÀ1) dan hasil uji multipleks positif (AMP: 80 ng mLÀ1, OPI: 48 ng mLÀ1, MAMP: 80 ng mLÀ1, THC : 800 ng mLÀ1 dan COC: 48 ng mLÀ1) ditampilkan. Data mewakili rata-rata dan standar deviasi 5 pengulangan pada kartrid yang berbeda.

Jurnal ini adalah © The Royal Society of Chemistry 2009 Lab Chip, 2009, 9, 3504–3510 | 3507

tempat keenam terdiri dari uji kontrol biotin. Menggunakan optik dan beberapa ratus dengan menggunakan optik dengan bidang pandang yang lebih elektromagnet saat ini, lebih dari 30 bintik125 mberdiameterm dapat secara luas dan elektromagnet yang sesuai. Untuk mendeteksi beberapa analit yang dapat bereaksi silang, dimungkinkan untuk secara fisik memisahkan bintikbersamaan dicitrakan (lihat Gambar 1d). Jumlah bintik-bintik yang dicitrakan, dan dengan demikian jumlah analit yang dapat dideteksi, dapat diperluas hingga bintik dan nanopartikel dari spesies reaksi silang dalam microchambers yang

berbeda dalam kartrid.

deteksi anti-cTnI. Dalam reaksi pengikatan, skema aktuasi yang lembut Hasil uji kompetisi seperti dijelaskan di atas menunjukkan bahwa digunakan, disesuaikan dengan reaksi antara cTnI dan antibodi. Karena dalam biosensor dapat digunakan untuk pengujian ultrafast yang tepat. Untuk pengujian konsentrasi rendah, setiap partikel magnetik mengandung rata-rata penentuan sensitivitas tinggi, lebih baik menggunakan format immunoassay kurang dari satu molekul cTnI, maka menguntungkan untuk mengekspos semua pasir. Kami telah mengembangkan tes cepat yang sepenuhnya terintegrasi untuk sisi partikel ke permukaan sensor. Selain itu, akan ada sejumlah besar partikel mendeteksi protein cardiac troponin I (cTnI). Cardiac troponin I adalah standar magnetik yang tidak dapat mengikat sensor karena tidak adanya analit pada emas untuk diagnosis infark miokard akut (AMI). 14 Penentuan cTnI memiliki permukaannya. Kami telah menemukan bahwa penerapan medan magnet yang persyaratan ketat dalam presisi dan persyaratan tinggi untuk sensitivitas karena diaktifkan paling menguntungkan untuk pengikatan biologis, karena ia kadar cTnI darah pasien di beberapa pikomolar atau lebih memiliki konsekuensi menghasilkan penataan ulang rotasi dan translasi partikel yang kontinu dan klinis yang penting.15 Karena sifat AMI yang mendesak, maka diinginkan untuk dengan demikian mengoptimalkan pemaparan partikel ke permukaan sensor. memiliki tes yang mampu memberikan hasil berkualitas laboratorium dalam Medan magnet secara alternatif beralih antara orientasi paralel dan tegak lurus ke format yang cepat dan terintegrasi, yang dapat digunakan oleh penyedia permukaan sensor, dengan periode intermiten pendek tanpa medan magnet untuk perawatan non-teknis di pengaturan tempat perawatan. Kami telah relaksasi difusif dari partikel, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 4b. mengembangkan tes cTnI yang cepat dan sensitif berdasarkan pada nanopartikel Karena partikel magnetik cenderung tersusun sesuai dengan medan magnet, magnetik yang digerakkan. Gbr. 4a menampilkan evolusi waktu dari sinyal proses ini menghasilkan pengaturan partikel in-plane dan out-of-plane yang sensor untuk cTnI pada 0 dan 1000 pM (lihat ESI details untuk detail pengujian). relatif terhadap permukaan sensor. Strategi aktuasi tiga tahap dirancang (i) untuk Partikelnano diinkubasi selama 30 detik dengan sampel di luar cartridge dan secara efisien membawa partikel dari bulk ke permukaan sensor, (ii) untuk kemudian disuntikkan ke dalam cartridge. Setelah larutan uji dimasukkan ke mengacak partikel-partikel untuk paparan optimal ke permukaan sensor, dan (iii) dalam kartrid, protokol aktuasi dimulai dan partikel yang membawa cTnI untuk meminimalkan pengikatan non-spesifik dengan menjaga partikel dalam dikumpulkan di permukaan menggunakan gaya magnet dari magnet yang lebih gerakan konstan relatif terhadap permukaan sensor. Reaksi pengikatan rendah, menghasilkan peningkatan sinyal optik. Proses pengumpulan memiliki berlangsung di bawah aktuasi switch selama 4 menit. Hal ini dapat diamati kontribusi tegak lurus terhadap serta sejajar dengan permukaan (peningkatan dengan jelas pada Gambar. 4a bahwa laju peningkatan sinyal f-TIR lebih besar untuk pengujian di mana lebih banyak partikel mengikat. Partikel yang terikat kemiringan di sekitar pada permukaan sensor memberikan kontribusi yang lebih tinggi pada sinyal 80 s bertepatan dengan kedatangan partikel yang dikumpulkan secara lateral, karena rata-rata lebih dekat ke permukaan daripada partikel yang tidak terikat. seperti yang diverifikasi menggunakan mikroskop optik). Setelah mencapai Sebagai akibatnya adalah mungkin untuk melakukan kuantifikasi analit permukaan, partikel yang mengandung cTnI berikatan dengan permukaan

. Gambar. 4 Deteksi troponin I dalam serum dan plasma. (a) Jejak real-time dari sinyal optik selama uji sandwich untuk cTnI, untuk konsentrasi 0 pM (kurva abu-abu) dan 1000 pM (kurva hitam) dalam 20% serum manusia dalam PBS. Partikel nano dicampur dengan sampel di luar cartridge. Setelah injeksi ke dalam kartrid, protokol aktuasi diaktifkan dimulai dan nanopartikel mengikat ke permukaan sensor. Setelah 225 detik, partikel yang terikat dan tidak terikat dengan kuat dihilangkan dengan gaya magnet yang diarahkan menjauh dari permukaan sensor menggunakan magnet atas. Inset menunjukkan arsitektur sandwich molekuler, yaitu cTnI terikat antara nanopartikel yang dilapisi antibodi dan permukaan sensor yang dilapisi antibodi. (B) Kurva real-time dari sinyal optik dari nanopartikel magnetik untuk pengujian cTnI, menampilkan dua siklus dari urutan aktuasi magnetik diaktifkan yang diterapkan untuk mengikat partikel magnetik ke permukaan sensor. Pada bagian pertama, sinyal meningkat ketika partikel membentuk pengaturan sejajar dengan permukaan sensor. Pada bagian kedua, medan magnet dimatikan dan partikel memiliki kebebasan translasi dan rotasi penuh. Pada bagian ketiga, medan magnet diterapkan untuk membentuk pengaturan partikel yang tegak lurus terhadap permukaan. (c) Kurva kalibrasi sinyal optik sebagai fungsi konsentrasi cTnI dalam serum manusia 20%. Partikel nano dicampur dengan sampel sebelum disuntikkan ke dalam kartrid. Sinyal ditentukan setelah langkah penghilangan magnetik. Inset menunjukkan kurva kalibrasi dari uji nanopartikel magnetik terintegrasi untuk cTnI dalam 100% plasma, dengan reagen kering di dalam microchamber. Garis adalah panduan untuk mata. Data mewakili rata-rata dan standar deviasi 3 pengulangan pada kartrid yang berbeda.

3508 | Lab Chip, 2009, 9, 3504–3510 Jurnal ini adalah langkah © The Royal Society of Chemistry 2009

berdasarkan pada fit kinetik kurva waktu-nyata pada pengujian kadar yang sangat singkat dapat dilakukan dalam cairan sampel yang stasioner, kali. Langkah pemisahan magnetik akhir semakin meningkatkan tanpa membutuhkan transportasi cairan atau penggantian cairan. rasio signal-to-blank, batas deteksi dan presisi oleh nanopartikel magnetik diusulkan sebagai label untuk afinitas yang menghilangkan partikel yang tidak terikat dan tidak terikat secara khusus.

tes pada tahun 1978 oleh Ebersole.16 Puluhan tahun kemudian, penyelidikan dimulai. Deteksi sub-pikomolar sensitivitas tinggi terhadap cTnI dapat dilakukan dengan menggunakan berbagai jenis sensor, misalnya dengan teknologi optomagnetik dalam total waktu pengujian kumparan magnetik,17 SQUID,18 pencitraan mikroskopis,19 magneto- 5 mnt. Gambar. 4c menampilkan kurva kalibrasi untuk pengujian cTnI dalam sensor resistif,5,20,21 dan sensor Hall.22 Dalam serum manusia magnetis kami di mana partikel diizinkan bereaksi dengan pengujian yang digerakkan, deteksi diaktifkan oleh protein skema optik baru selama 30 detik sebelum disuntikkan ke dalam kartrid, diikuti dengan berdasarkan pada refleksi internal total yang frustrasi. Optik f-TIR merupakan protokol aktuasi dalam kartrid seperti dijelaskan di atas. Metodeini secara intrinsik tidak sensitif terhadap medan magnet, tapi sangat diperoleh batas deteksi, ditentukan oleh tiga kali lipat sensitif-standaruntuk nanopartikel magnetik. Teknik ini memungkinkan penyimpangan dard dari sinyal kosong, adalah 250 fM.akurat Penempatan elektromagnet yangtepat di atas dan di bawah kontrol penginderaan dari semua reaksi pengujian termasukpemisahan bebas / terikat di permukaanmana kontrol yang paling tepat dari pengujian diperlukan. menghasilkan presisi tinggi. Koefisien variasi kurang dari Keuntungan penting lainnya adalah standar biokompatibel 10%, dengan mayoritas poin memiliki variasi kurang dari 5%, bahan plastik digunakan untuk kartrid sensor, yang dicapai untuk perubahan sinyal lebih besar dari 0,5%. Pengukuran ini menghasilkan biaya-efektif dalam jumlah besar dengan cetakan injeksi. kisaran sebelum saturasi sinyal sekitar tiga orde magnituda . Fungsionalisasi permukaan plastik dengan berbagai ikatan (0,5-500 pM) dan rasio sinyal-ke-kosong 2300 dicapai molekul dicapai dengan menggunakan sederhana, mapan, dan untuk 500 sore. Daya yang sesuai dalam kisaran antara 0,25 dan 250 pM dicirikan teknik adsorpsi pasif. Untuk kovalen menunjukkan bahwa kurva sedikit superlinear dengan kekuatan kopling dari molekul lain seperti asam nukleat, permukaan diperlakukan 1,19 (R2 > 0,99). Hubungan yang hampir linier antara sinyal dan substrat plastik juga tersedia secara luas. Konsentrasi optomagnetik sangat diinginkan untukkuantitatif-analit yang tepat teknologibiosensormembentuk dasar untuk berbagai tion lebih lanjut. Kurva dosis-respons yang sangat sub-linier telah dilaporkan dalam investigasi, misalnya diarahkan ke pengujian denganuntuk immunoassay nanopartikel magnetik tanpamagnetik mol tangkapan baru-culedan analit biologis, dan pengujian dengan aktuasi magnetik baru;5 perilaku sub-linear menerjemahkankesalahan sinyal kecil skema aktuasi. menjadi ketidakpastian besar dalam penentuan konsentrasi ringkasan, teknologi biosensor optomagnetik disajikan sampel yang tidak diketahui. based on actuated nanoparticles makes possible integrated, high- We have also developed a one-step cTnI assay with dry sensitivity, rapid, multiplexed assays on a small sample volume, magnetic particles in the microchamber, for use with 100% in a low-cost disposable cartridge. We believe that the technology plasma samples. In this assay, the protocol starts with a 90 s is fundamentally suited for point-of-care diagnostics and will period of no applied field, in which the particles coated with antiopen a new paradigm in biosensing. cTnI antibodies redisperse from the dry reagent into the plasma sample in the microchamber and react with the cTnI in solution. A calibration curve for cTnI in 100% human plasma using dry

Acknowledgements magnetic particles in the microchamber is shown in the inset of The authors thank many colleagues in Philips Research, Philips Fig. 4c. The limit of detection for this assay was found to be Healthcare Incubator, Philips Applied Technologies, Concateno 3 pM. The higher limit of detection is due to higher non-specific and Future Diagnostics for support and discussions. The work interactions encountered in pure plasma. Further optimization was partially funded by the NanoNed program of the Dutch of the buffer components for dry particles is required in order Ministry of Economic Affairs. for the cTnI assay in pure plasma to achieve a detection limit similar to the assay in 20% human serum.

References Discussion and outlook 1 P. Yager, T. Edwards, E. Fu, K. Helton, K. Nelson, MR Tam and BH Weigl, Nature, 2006, 442, 412–418. 2 D. Wild, The Immunoassay Handbook, Elsevier, Amsterdam, 2005. The key demonstration of the present article is

that sophisticated 3 JM Nam, CS Thaxton and CA Mirkin, Science, 2003, 301, 1884– actuation of magnetic nanoparticle labels allows the full inte- gration of

immunoassays with high analytical performance. We have demonstrated that the technology enables high-sensitivity, 1886. 4 Z. Chen, SM Tabakman, AP Goodwin, MG Kattah, D. Daranciang, X. Wang, G. Zhang, X. Li, Z. Liu, PJ Utz, K. Jiang, S. Fan and H. Dai, Nat. Biotechnol., 2008, 26, 1285–1292. one-step, dry-reagent assays in very small samples of blood plasma and whole saliva, with a total assay time of a few

minutes. The short assay time originates from (i) efficient capture of 5 SJ Osterfeld, H. Yub, RS Gaster, S. Caramuta, L. Xu, S.-J. Han, DA Hall, RJ Wilson, S. Sun, RL White, RW Davis, N. Pourmand and SX Wang, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2008, 105, 20637–20640. analyte molecules by antibody-coated nanoparticles, (ii) rapid 6 G. Zheng, F. Patolsky, Y. Cui, WU Wang and CM Lieber, Nat. transport of nanoparticle–analyte complex to the sensor surface by magnetic forces,

(iii) efficient binding to the sensor surface by switched actuation, and (iv) the rapid magnetic wash. The Biotechnol., 2005, 23, 1294–1301. 7 J. Todd, B. Freese, A. Lu, D. Held, J. Morey, R. Livingston and P. Goix, Clin. Chem (Washington, DC), 2007, 53, 1990–1995. 8 R. Fan, O. Vermesh, A. Srivastava, BKH Yen, L. Qin, H. Ahmad, magnitude, orientation, and

time-dependency of magnetic fields are electronically controlled, giving unprecedented control over the forces on and speeds of magnetic

particles during the assay. ̈

GA Kwong, C.-C. Liu, J. Gould, L. Hood and JR Heath, Nat. Biotechnol., 2008, 26, 1373–1378. 9 SSM Fredriksson, G ú stafsd ó ttir, MA Gullberg, Ostman J. Jarvius, C. Olsson, K. Pietras, and U. Landegren, Nat. Biotechnol., The actuation principle opens a new paradigm in which multi2002, 20, 473–477.

This journal is © The Royal Society of Chemistry 2009 Lab Chip, 2009, 9, 3504–3510 | 3509 16 10 A. van den Berg and TSJ Lammerink, in Microsystem Technology RC Ebersole, US Pat., 4 219 335, 1978. in Chemistry and Life Sciences, ed. A. Manz and H. Becker, Springer, 17 CB Kriz, K. RAadevik and D. Kriz, Anal. Chem., 1996, 68, 1966–1970. Berlin, 1999, pp. 21–50. 18 YR Chemla, HL Grossman, Y. Poon, R. McDermott, R. Stevens, 11 AH Morrish, The Physical Principles of Magnetism, Robert E. MD Alper and J. Clarke, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2000, 97, Krieger Publishing Company, Inc., Huntington, New York, 1980. 14268–14272. 12 A. Engel and R. Friedrichs, Am. J. Phys., 2002, 70, 428–432. 19 A. Perrin, A. Theretz, V. Lanet, S. Vialle and B. Mandrand, 13 F. de Fornel, Evanescent Waves: from Newtonian Optics to Atomic J. Immunol. Methods, 1999, 224, 77–87. Optics, Springer-Verlag, Berlin, 2001. 20 DR Baselt, GU Lee, M. Natesan, SW Metzger, PE Sheehan 14 DA Morrow, CP Cannon, RL Jesse, LK Newby, J. Ravkilde, and RJ Colton, Biosens. Bioelectron., 1998, 13, 731–739. AB Storrow, AHB Wu, RH Christenson, FS Apple, 21 WU Dittmer, P. de Kievit, MWJ Prins, JLM Vissers, G. Francis and W. Tang, Clin. Chem (Washington, DC), 2007, 53, MEC Mersch and MFWC Martens, J. Immunol. Methods, 552–574. 2008, 338, 40–46. 15 MC Kontos, R. Shah, LM Fritz, FP Anderson, JL Tatum, 22 T. Aytur, J. Foley, M. Anwar, B. Boser, E. Harris and PR Beatty, JP Ornato and RL Jesse, J. Am. Coll. Cardiol., 2004, 43, 958–965. J. Immunol. Methods, 2006, 314, 21–29.

3510 | Lab Chip, 2009, 9, 3504–3510 This journal is © The Royal Society of Chemistry 2009