F                     F


Optical biosensors and applications
                     บุญสง สุตะพันธ

            Photonics...
F              F F                                                          SPR subsystems (Biacore 3000)



•   Label-fre...
Wavelength-tunable 7-ch flowcell
        SPR imager
                                                                      ...
Biacore SPR Chips: CM5                                                                   ดร.กตัญชลี ไมงาม/MTEC
          ...
Nanostructured metallic particles                                                                                         ...
Bio-barcode assay                                                                  Bio-barcode assay
           (for ultra...
• SPR/SPR imaging เหมาะสําหรับการตรวจคัดกรอง
  และเครื่องมือสําหรับวิเคราะหในหองปฏิบัติการ

• LSPR เหมาะสําหรับพัฒนาเปน...
Upcoming SlideShare
Loading in …5
×

Optical Biosensors and Applications

2,143 views

Published on

Optical Biosensors and Applications

Published in: Technology
0 Comments
1 Like
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

No Downloads
Views
Total views
2,143
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
3
Actions
Shares
0
Downloads
99
Comments
0
Likes
1
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Optical Biosensors and Applications

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

×