Optical Biosensors and Applications

1. F F
Optical biosensors and applications
บุญสง สุตะพันธ
Photonics Technology Laboratory
NECTEC
F 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 หัวขอ
• Labeling technique • Surface plasmon resonance (SPR)
Biacore systems
GWC’s SPR imager
NECTEC’s SPR imager
ตัวอยางการประยุกตใชงาน
• Localize surface plasmon resonance (LSPR)
Fluorescence Absorbance (ELISA) Scattering (LSPR) DNA array detection with nanoparticle probes
(Microarrays)
(Nanosphere inc.)
• Label-free technique
DNA direct detection
Ultrasensitive PSA detection
Refractive index change
(SPR)
Surface plasmon resonance (SPR)
SPR F ก ก F F SPR curves
ก ก กก F ก
ก F Fก F F ก F
F
Surface plasmon resonance biosensors Antibody Antibody/Antigen
Biomolecule interactions
• Antigen-antibody -
• Receptor-ligand
Sample (nS)
• DNA-DNA 50 nm
Au (nAU)
• DNA-protein 30 40 m
Prism (nP) 10 20
• Cell-cell
• Protein-sugar
• etc.
1

2. F F F SPR subsystems (Biacore 3000)
• Label-free
• Real-time monitoring
• Multiplex detection
• High-sensitivity
< 10-6 RIU, typical Flow cell (60 nL)
• “Sensitive to everything”
• Non-specific bindings
www.biacore.com
• SPR optics
Typical real-time data
• Sensor chip (biochip)
• Flow cell
www.biacore.com
Handbook of Surface Plasmon Resonance
Biacore SPR systems ก F
F ( ) SPR imager (GWC technologies)
SPR imaging Fก ก F F
• Unique technology solutions with strong IP ก ก F F ก F
SPR detection, Chip surface chemistry, Microfluidics, Instrument system integration FF F ก ก F
F
• A competent young and hungry development team
• Capital and backing by established organisation
Pharmacia
Private investment “Kommanditbolag”
In total ~500 MSek (~80 MUSD)
G. Steiner, Anal Bioanal Chem (2004) 379: 328–331
2

3. Wavelength-tunable 7-ch flowcell
SPR imager
Flowcell fabrication technique
Dynamic range > 3x • Aluminum molding
• Integrated fluidic connections
• Flow cell volume: 5 µL
• Made before use
Sensor 7-ch PDMS flowcell
chip
Sample injection
Precision aluminum mould
การตรวจหาแบคทีเรียโรคพืช การลางผิวเซนเซอรเพื่อใชซ้ํา
180
160 HT=Healthy sap
(Surface regeneration)
การประยุกตใช SPRi สําหรับการ
7
10 +HT
140
ตรวจวัดเชื้อแบคทีเรีย Acidovorax 120
10
7
avenae subs. citrulli (Aac) ที่ 100 6
5x10 +HT
กอใหเกิดโรคผลเนา (bacteria fruit 80 6 60
µ RIU
5x10 glycine pH 2.0
blotch) ในพืชตระตูลแตง 60
40 Aac 40
20
0 Control
20
Control
2.5x106
µ RIU
-20
5x106
0
107
0 20 40 60 80 100
Aac
Time(min) -20
-40
0 40 80 120 160
Time(min)
ภาพและขอมูล: ผศ.ดร.เติมศักดิ์ ศรีครินทร มหาวิทยาลัยมหิดล
ิ ภาพและขอมูล: ผศ.ดร.เติมศักดิ์ ศรีครินทร มหาวิทยาลัยมหิดล
ิ
F F F F F
F ก F กF F F F ก
ก F กF skin prick test ImmunoCAP
F FF ก 500 F F1 . . ก F
F
• F ( F)
F F
ก F
ก F F
F
• F F F F
ก F F ก F F
กFก F ก ก FกF F F • F F F กF
ก F ก F F F F
• F F F ก F
F
F
F ก
F
ก
ภาพและขอมูล: ผศ.ดร.เติมศักดิ์ ศรีครินทร มหาวิทยาลัยมหิดล
ิ
3

4. Biacore SPR Chips: CM5 ดร.กตัญชลี ไมงาม/MTEC
Design of Bimodal Dextran-Based Chip
F ก F ดร.กตัญชลี ไมงาม/MTEC
6 F F ก F F ก
∆ Reflectivity change (%)
Carboxymethyl dextran
F F ก F ก F
(100 nm) 4
F F (50 nm) 2 ก F ก ก F
[Mouse IgG] = 50 µg/mL
F กF 0 ก F ก ก
0 5 10 15 20 25 F F F
[Goat anti-mouse IgG] (µg/mL)
10
Reflectivity change (%)
1 mg/mL HMW Dex White Spot Syndrome Virus
CM5 (Biacore) F CM5 9
RCinflected shrimp - healthy shrimp (%)
25 mg/mL HMW Dex
300 mg/mL HMW Dex 1.4
8
1.2
F ก
7
6 1 F F
ก F (nm) 100 140 5
4
0.8 ก F F ก ก
0.6 [dextran] = 300 mg/ml
F F ก F (ng/mm2) 1-3 1.63 3
2 0.4
1
F FCarboxyl (nmol/cm2) 1 0.89 0
0.2
0
0 10 20 30 40 50
F carboxyl F glucose unit (groups) 1 1 [Goat anti-mouse IgG] (mg/mL)
1 mg/ml 25 mg/ml 300 mg/ml
Dextran concentration
Opportunity ดร.กตัญชลี ไมงาม/MTEC
F ก ก ก
(Testosterone)
-ก F กF Fก F Physiologically relevant range: 29-290 pg/mL.
ก F ก ก ก ก ก ก F
- Fก ก F F F ก F F LOD: 3.7 pg/mL (buffer)
Bimodal Dextran F F 400 F 15.4 pg/mL (saliva)
F F F 1 F
Measurement time: 13 minutes
(ก F F ก ก )
Regeneration cycles:
> 330
Mitchell and Lowe, Biosen. Bioelectron. 2008.
Ultrasensitive DNA arrays
Localized surface plasmon resonance
biosensors (LSPR)
LOD: 41 zM (450 µL)
Measurement time: 40 minutes
D’Agata et al., Biosens. Bioelectron. 2010.
4

5. Nanostructured metallic particles ก ก ก ก
AU NP : 40-100 nm
D.A. Schultz, Curr. Opinion Biotec. 14 (2003) 13-22
www.tedpella.com
N.L Rosi and C. Mirkin, Chem Rev. 105 (2005) 1547-1562.
Nanosphere Inc.
(www.nanosphere.us) Nanosphere’s direct detection of nucleic acids
• Nanotechnology-based molecular diagnostics company
• 1998 Mirkin and Letsinger at Northwestern University ยื่นจดสิทธิบัตรการเทคนิค การอานคา grayscale
การใชอนุภาคนาโนของทองเปนโมเลกุลฉลากสําหรับการตรวจวัด DNA - Optical scanner
- Scattering technique
• กอตังในป
้ 2000
• งบลงทุน > 300 M USD
• Technology platforms
(1) Gold nanoparticles as labels for DNA microarrays • ใชอนุภาคนาโนของทองติดฉลากดวยดีเอ็นเอเปนโพรบ มีความไว
(2) Bio-barcode assays for ultrasensitive detection (proteins and DNA) (sensitivity) สูงกวาการใชโมเลกุลสารเรืองแสงเปนฉลาก ประมาณ
1,000 เทา
• 2008: 96 issued patents/ 163 pending patent applications
• บอกความแตกตางระหวาง perfectly complementary target strand/
• 2008 First commercial product
A single base mismatch ไดดกวาการใชโมเลกุลสารเรืองแสง เนื่อง
ี
จากมี sharp DNA melting profile
Refs. Taton et al., Science 289 (2000) 1757 and Storhoff et al. 19 (2004) 875.
Optical detection system Bio-barcode assay
F ก ก (for ultrasensitive DNA detection)
มีวิธีอื่นที่เหมาะสมกวา?
Polymerase chain reaction (PCR)
• 5-10 copies sensitivity level
Detection • Complex, expensive
technique • Time-consuming, labor intensive
LOD of nanoparticle probes 30nm AuNP
0.0025 probes/µm2. Total DNA: 360
Barcode DNA/
Target DNA: 70:1
การอานคา grayscale
- Optical scanner
Nanosphere’s image analyzer - Scattering technique
Nam et al., J. Am. Chem. Soc. 126 (2004) 5932.
5

6. Bio-barcode assay Bio-barcode assay
(for ultrasensitive DNA detection) (for protein detection)
Prostate specific antigen (PSA) levels
0 0.33 3.3 16.6 33.3 pg/mL
Single base mismatch experiment
Limit of detection (LOD)
• Gold nanoparticle bio-barcode assay 330 fg/mL.
• Commercial immunoassays (ELISA) 0.1 ng/mL
Prostate cancer recurrence can be
Sensitivity: 500 zeptomolar (zM = 10-21), early detected.
10 copies/30 µL
Assay time: 3-4 h
Nam et al., J. Am. Chem. Soc. 126 (2004) 5932. Thaxton et al. PNAS 106 (2009) 18437-18442
Bio-barcode assay & microfluidics
• chip-based system
• เวลาและขั้นตอนการใชงานลดลง
• ไมตองใช magnetic microparticle probes
LOD (PSA) :
10 fM (buffer),
40 fM (serum)
Assay time:
80 minutes
Goluch et al. Biosens. Bioelctron. 24 (2009) 2397.
6

7. • SPR/SPR imaging เหมาะสําหรับการตรวจคัดกรอง
และเครื่องมือสําหรับวิเคราะหในหองปฏิบัติการ
• LSPR เหมาะสําหรับพัฒนาเปนเครื่องมือวัดทั่วไป
• การวิจัยและพัฒนาดาน Biosensors มีศักยภาพในการ
พัฒนาไปสูเชิงพาณิชย เนื่องจากมีความพรอมหลายดาน
และความตองการใชงานสูง
7