Fluorescerende laterale flow-immunoassay op basis van Quantum Dots nanobeads
Summary
Hier beschrijven we een protocol voor de bereiding van quantum dot nanobeads (QDNB) en de detectie van ziektebiomarkers met behulp van QDNB-gebaseerde lateral flow immunoassay strips. De testresultaten kunnen binnen 15 minuten kwalitatief worden beoordeeld onder UV-lichtverlichting en kwantitatief worden gemeten met behulp van een fluorescerende striplezer.
Abstract
Quantum dots, ook bekend als halfgeleider nanokristallen, zijn nieuwe fluorescerende labels voor biologische beeldvorming en detectie. Kwantumdot-antilichaamconjugaten met kleine afmetingen (~10 nm), bereid door middel van moeizame zuiveringsprocedures, vertonen echter een beperkte gevoeligheid bij het detecteren van bepaalde sporen van ziektemarkers met behulp van laterale flow-immunoassaystrips. Hierin presenteren we een methode voor de bereiding van quantum dot nanobeads (QDNB) met behulp van een emulsieverdampingsmethode in één stap. Met behulp van de zoals voorbereide QDNB werd een fluorescerende laterale flow-immunoassay gefabriceerd om ziektebiomarkers te detecteren met behulp van C-reactief proteïne (CRP) als voorbeeld. In tegenstelling tot enkele kwantumdot-nanodeeltjes, zijn kwantumdot-nanobead-antilichaamconjugaten gevoeliger als immunoassay-labels vanwege signaalversterking door honderden kwantumdots in één polymeercomposiet nanokraal in te kapselen. Bovendien vergemakkelijkt het grotere formaat van QDNB’s een gemakkelijkere centrifugatiescheiding bij het conjugeren van QDNB’s met antilichamen. De fluorescerende laterale flow-immunoassay op basis van QDNB’s werd gefabriceerd en de CRP-concentratie in het monster werd in 15 minuten gemeten. De testresultaten kunnen binnen 15 minuten kwalitatief worden beoordeeld onder UV-lichtverlichting en kwantitatief worden gemeten met behulp van een fluorescentielezer.
Introduction
Lateral flow immunoassay (LFIA)-strips dienen als cruciale snelle detectie-instrumenten op point-of-care 1,2, met name bij het screenen van ziekten tijdens epidemieën. Traditionele LFIA-teststrips op basis van colloïdaal goud vertonen echter een lage detectiegevoeligheid en leveren alleen kwalitatieve resultaten3. Om de detectiegevoeligheid van LFIA te verbeteren, zijn er verschillende nieuwe nanodeeltjes ontstaan, waaronder gekleurde latex 4,5, upconversie fluorescerende nanodeeltjes6, tijdopgeloste fluorescerende microsferen 7,8 en kwantumdots 9,10,11. Quantum dots (QD’s)12,13, ook bekend als halfgeleidernanokristallen, bieden afstembare emissiegolflengten, een breed excitatiebereik en een hoge luminescentie-efficiëntie, waardoor ze ideale labels zijn voor biologische beeldvorming.
Het fluorescentiesignaal dat door individuele kwantumdots wordt uitgezonden, blijft echter zwak, wat resulteert in een relatief lage detectiegevoeligheid bij immunoassays. Inkapseling van talrijke kwantumdots in microsferen kan signalen versterken en de gevoeligheid van op kwantumdots gebaseerde immunoassays verbeteren. Verschillende methoden, zoals zelfassemblage laag voor laag 14,15,16,17,18, de zwellingsmethode 19,20 en inkapseling van silicamicrosfeer 21,22,23,24, zijn gebruikt om kwantumdots in microsferen in te kapselen. Bijvoorbeeld, quantum dot-gefunctionaliseerde silica nanosfeerlabels kunnen worden bereikt door de QD-belasting per ingeklemde immunoreactiete verhogen 25. Een sproeidroger uitgerust met een ultrasone verstuiver is ook gebruikt om QD-BSA-nanosferen op nanoschaalte bereiden 26. De bovengenoemde methoden hebben echter last van complexe meerstappen, fluorescentie-afgifte en een lage productiviteit.
In ons vorige werk27 werd een emulsie-oplosmiddel verdampingsmethode voor het inkapselen van kwantumdots in polymeer nanobeads gerapporteerd. Deze bereidingstechniek is eenvoudig, behoudt de fluorescerende efficiëntie van QD’s, zorgt voor een hoge inkapselingsefficiëntie en maakt een gemakkelijk schaalbare productie mogelijk. Verschillende onderzoeksgroepen hebben met succes LFIA-strips ontwikkeld met behulp van QDNB’s die via deze methode zijn bereid voor toepassingen, waaronder detectie van voedseltoxine28,29,30, detectie van biomarkers voor infectieziekten31,32 en milieumonitoring33.
Dit protocol presenteert specifieke voorbereidingsstappen voor quantum dot nanobeads (QDNB), QDNB en antilichaamconjugatie, bereiding van QDNB-gebaseerde LFIA en meting van C-reactief proteïne (CRP) in menselijke plasmamonsters.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hier beschrijven we een protocol voor de bereiding van quantum dot nanobeads (QDNB)27 en het gebruik van QDNB voor de bereiding van fluorescerende laterale flow immunoassays (LFIA). De kwalitatieve en kwantitatieve meting van CRP in steekproeven wordt aangetoond. Deze op QDNB gebaseerde LFIA kan ook worden toegepast op andere ziektebiomarkers 25,32, voedseltoxines29,30, virussen<su…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door het Project of Shanghai Science and Technology Committee (STCSM) (22S31902000) en het Clinical Research Incubation Program van het Shanghai Skin Disease Hospital (NR. lcfy2021-10).
Materials
| (dimethylamino)propyl)-N’-ethylcarbodiimide hydrochloride | Sigma-Aldrich | 03450 | |
| Absorbance paper | Kinbio Biotech | CH37K | |
| Bovine serum albumin | Sigma-Aldrich | B2064 | |
| Casein | Sigma-Aldrich | C8654 | |
| CdSe/ZnS quantum dot | Suzhou Mesolight Inc. | CdSe/ZnS-625 | |
| Choloroform | Sino Pharm | 10006818 | |
| CRP antibody | Hytest Biotech | 4C28 | |
| Fluorescent lateral flow assay reader | Suzhou Helmence Precision Instrument | FIC-H1 | |
| Glass fiber pad | Kinbio Biotech | SB06 | |
| Goat anti-rabbit IgG | Sangon Biotech | D111018 | |
| Nitrocellulose membrane | Satorious | CN140 | |
| Poly(styrene-maleic anhydride) copolymer | Sigma-Aldrich | S458066 | |
| Rabbit IgG | Sangon Biotech | D110502 | |
| Sodium dodecyl sulfate | Sino Pharm | 30166428 | |
| Sodium hydroxide | Sino Pharm | 10019718 |
References
- de Puig, H., Bosch, I., Gehrke, L., Hamad-Schifferli, K. Challenges of the nano-bio interface in lateral flow and dipstick immunoassays. Trends Biotechnol. 35 (12), 1169-1180 (2017).
- Miller, B. S., et al. Spin-enhanced nanodiamond biosensing for ultrasensitive diagnostics. Nature. 587 (7835), 588-593 (2020).
- Gao, Z., et al. Platinum-decorated gold nanoparticles with dual functionalities for ultrasensitive colorimetric in vitro diagnostics. Nano Lett. 17 (9), 5572-5579 (2017).
- Fan, L., et al. Deeply-dyed nanobead system for rapid lateral flow assay testing of drugs at point-of-care. Sensors Actuators B Chem. 362, 131829 (2022).
- Garcia, V. S., Guerrero, S. A., Gugliotta, L. M., Gonzalez, V. D. G. A lateral flow immunoassay based on colored latex particles for detection of canine visceral leishmaniasis. Acta Trop. 212, 105643 (2020).
- You, M., et al. Household fluorescent lateral flow strip platform for sensitive and quantitative prognosis of heart failure using dual-color upconversion nanoparticles. ACS Nano. 11 (6), 6261-6270 (2017).
- Ye, Z., Tan, M., Wang, G., Yuan, J. Novel fluorescent europium chelate-doped silica nanoparticles: preparation, characterization and time-resolved fluorometric application. J Mater Chem. 14 (5), 851 (2004).
- Xu, Y., Li, Q. Multiple fluorescent labeling of silica nanoparticles with lanthanide chelates for highly sensitive time-resolved immunofluorometric assays. Clin Chem. 53 (8), 1503-1510 (2007).
- Zhang, B., et al. Improving detection sensitivity by oriented bioconjugation of antibodies to quantum dots with a flexible spacer arm for immunoassay. RSC Adv. 6 (55), 50119-50127 (2016).
- Li, Z., et al. Rapid and sensitive detection of protein biomarker using a portable fluorescence biosensor based on quantum dots and a lateral flow test strip. Anal Chem. 82 (16), 7008-7014 (2010).
- Wang, L., et al. Fluorescent strip sensor for rapid determination of toxins. Chem Commun. 47 (5), 1574-1576 (2011).
- Medintz, I. L., Uyeda, H. T., Goldman, E. R., Mattoussi, H. Quantum dot bioconjugates for imaging, labeling and sensing. Nat Mater. 4 (6), 435-446 (2005).
- Smith, A. M., Nie, S. Compact quantum dots for single-molecule imaging. J Vis Exp. 68, e4236 (2012).
- Wang, C., et al. Layer-by-layer assembly of magnetic-core dual quantum dot-shell nanocomposites for fluorescence lateral flow detection of bacteria. Nanoscale. 12 (2), 795-807 (2020).
- Hu, J., Tang, F., Jiang, Y. Z., Liu, C. Rapid screening and quantitative detection of Salmonella using a quantum dot nanobead-based biosensor. Analyst. 145 (6), 2184-2190 (2020).
- Wang, W., et al. Introduction of graphene oxide-supported multilayer-quantum dots nanofilm into multiplex lateral flow immunoassay: A rapid and ultrasensitive point-of-care testing technique for multiple respiratory viruses. Nano Res. 16 (2), 3063-3073 (2023).
- Wang, C., et al. Colorimetric-fluorescent dual-signal enhancement immunochromatographic assay based on molybdenum disulfide-supported quantum dot nanosheets for the point-of-care testing of monkeypox virus. Chem Eng J. 472, 144889 (2023).
- Zheng, S., et al. Dual-color MoS2@QD nanosheets mediated dual-mode lateral flow immunoassay for flexible and ultrasensitive detection of multiple drug residues. Sensors Actuators B Chem. 403, 135142 (2024).
- Wang, G., et al. Efficient incorporation of quantum dots into porous microspheres through a solvent-evaporation approach. Langmuir. 28 (14), 6141-6150 (2012).
- Li, H., et al. Fluorescent lateral flow immunoassay for highly sensitive detection of eight anticoagulant rodenticides based on cadmium-free quantum dot-encapsulated nanospheres. Sensors Actuators B Chem. 324, 128771 (2020).
- Gao, F., et al. Rational design of dendritic mesoporous silica nanoparticles’ surface chemistry for quantum dot enrichment and an ultrasensitive lateral flow immunoassay. ACS Appl Mater Interfaces. 13 (18), 21507-21515 (2021).
- Xu, L. D., Zhu, J., Ding, S. N. Immunoassay of SARS-CoV-2 nucleocapsid proteins using novel red emission-enhanced carbon dot-based silica spheres. Analyst. 146 (16), 5055-5060 (2021).
- Tao, S., et al. SARS-Cov-2 Spike-S1 antigen test strip with high sensitivity endowed by high-affinity antibodies and brightly fluorescent QDs/silica nanospheres. ACS Appl Mater Interfaces. 15 (23), 27612-27623 (2023).
- Wang, C., et al. Development of an ultrasensitive fluorescent immunochromatographic assay based on multilayer quantum dot nanobead for simultaneous detection of SARS-CoV-2 antigen and influenza A virus. Sensors Actuators B Chem. 345, 130372 (2021).
- Chen, L., Chen, C., Li, R., Li, Y., Liu, S. CdTe quantum dot functionalized silica nanosphere labels for ultrasensitive detection of biomarker. Chem Commun. 19, 2670-2672 (2009).
- Chu, M., et al. A novel method for preparing quantum dot nanospheres with narrow size distribution. Nanoscale. 2 (4), 542-547 (2010).
- Zhang, P., Lu, H., Chen, J., Han, H., Ma, W. Simple and sensitive detection of HBsAg by using a quantum dots nanobeads based dot-blot immunoassay. Theranostics. 4 (3), 307-315 (2014).
- Ouyang, S., et al. An on-site, ultra-sensitive, quantitative sensing method for the determination of total aflatoxin in peanut and rice based on quantum dot nanobeads strip. Toxins. 9 (4), 137 (2017).
- Liu, J., et al. Quantitative ciprofloxacin on-site rapid detections using quantum dot microsphere based immunochromatographic test strips. Food Chem. 335, 127596 (2021).
- Chen, Y., Fu, Q., Xie, J., Wang, H., Tang, Y. Development of a high sensitivity quantum dot-based fluorescent quenching lateral flow assay for the detection of zearalenone. Anal Bioanal Chem. 411 (10), 2169-2175 (2019).
- Zhang, Q., et al. SARS-CoV-2 detection using quantum dot fluorescence immunochromatography combined with isothermal amplification and CRISPR/Cas13a. Biosens Bioelectron. 202, 113978 (2022).
- Zhong, X., et al. CRISPR-based quantum dot nanobead lateral flow assay for facile detection of varicella-zoster virus. Appl Microbiol Biotechnol. 107 (10), 3319-3328 (2023).
- Liu, Y., Xiao, M., Xu, N., Yang, M., Yi, C. Point-of-need quantitation of 2,4-dichlorophenoxyacetic acid using a ratiometric fluorescent nanoprobe and a smartphone-based sensing system. Sensors Actuators B Chem. 367, 132083 (2022).
- McCafferty, C., et al. Blood collection processing and handling for plasma and serum proteomics BT – Serum/plasma proteomics. Methods Mol Biol. 2628, 33-40 (2023).
- Zhang, P., et al. Rapid and quantitative detection of C-reactive protein based on quantum dots and immunofiltration assay. Int J Nanomedicine. 10, 6161-6173 (2015).
- Hu, J., et al. Sensitive and quantitative detection of C-reaction protein based on immunofluorescent nanospheres coupled with lateral flow test strip. Anal Chem. 88 (12), 6577-6584 (2016).
- Fan, L., et al. One-component dual-readout aggregation-induced emission nanobeads for qualitative and quantitative detection of c-reactive protein at the point of care. Anal Chem. 96 (1), 401-408 (2024).
- Gui, Y., et al. Colorimetric and reverse fluorescence dual-signal readout immunochromatographic assay for the sensitive determination of sibutramine. ACS Omega. 9 (6), 7075-7084 (2024).
