Kuantum Noktaları Nano Boncuklara Dayalı Floresan Yanal Akış İmmünoassay
Summary
Burada, kuantum nokta nanoboncukların (QDNB) hazırlanması ve QDNB bazlı yanal akış immünoassay şeritleri kullanılarak hastalık biyobelirteçlerinin tespiti için bir protokol açıklıyoruz. Test sonuçları, UV ışığı aydınlatması altında kalitatif olarak değerlendirilebilir ve 15 dakika içinde bir floresan şerit okuyucu kullanılarak kantitatif olarak ölçülebilir.
Abstract
Yarı iletken nanokristaller olarak da bilinen kuantum noktaları, biyolojik görüntüleme ve algılama için yeni floresan etiketlerdir. Bununla birlikte, zahmetli saflaştırma prosedürleri ile hazırlanan küçük boyutlu (~ 10 nm) kuantum nokta-antikor konjugatları, yanal akış immünoassay şeritleri kullanılarak belirli eser hastalık belirteçlerini tespit etmede sınırlı hassasiyet gösterir. Burada, tek adımlı bir emülsiyon buharlaştırma yöntemi kullanılarak kuantum nokta nanoboncuklarının (QDNB) hazırlanması için bir yöntem sunuyoruz. Hazırlandığı gibi QDNB kullanılarak, örnek olarak C-reaktif protein (CRP) kullanılarak hastalık biyobelirteçlerini tespit etmek için bir floresan yanal akış immünolojik testi üretildi. Tek kuantum nokta nanopartiküllerinden farklı olarak, kuantum nokta nanoboncuk-antikor konjugatları, yüzlerce kuantum noktasını tek bir polimer kompozit nanoboncukta kapsülleyerek sinyal amplifikasyonu nedeniyle immünoassay etiketleri olarak daha hassastır. Ayrıca, QDNB’lerin daha büyük boyutu, QDNB’leri antikorlarla konjuge ederken daha kolay santrifüjleme ayrımını kolaylaştırır. QDNB’lere dayalı floresan yanal akış immünolojik testi üretildi ve numunedeki CRP konsantrasyonu 15 dakika içinde ölçüldü. Test sonuçları, UV ışığı aydınlatması altında kalitatif olarak değerlendirilebilir ve 15 dakika içinde bir floresan okuyucu kullanılarak kantitatif olarak ölçülebilir.
Introduction
Yanal akış immünoassay (LFIA) şeritleri, özellikle salgın hastalıklar sırasında hastalık taramasında, bakım noktası 1,2’de çok önemli hızlı tespit araçları olarak hizmet eder. Bununla birlikte, geleneksel kolloidal altın bazlı LFIA test şeritleri, düşük algılama hassasiyeti sergiler ve yalnızca kalitatif sonuçlar sağlar3. LFIA’nın algılama hassasiyetini artırmak için, renkli lateks 4,5, yukarı dönüşümlü floresan nanopartiküller6, zamana bağlı floresan mikroküreler 7,8 ve kuantum noktaları 9,10,11 dahil olmak üzere çeşitli yeni nanopartiküller ortaya çıkmıştır. Yarı iletken nanokristaller olarak da bilinen kuantum noktaları (QD’ler)12,13, ayarlanabilir emisyon dalga boyları, geniş bir uyarma aralığı ve yüksek lüminesans verimliliği sunarak onları biyolojik görüntüleme için ideal etiketler haline getirir.
Bununla birlikte, tek tek kuantum noktaları tarafından yayılan floresan sinyali zayıf kalır ve bu da immünolojik testlerde nispeten düşük algılama duyarlılığı ile sonuçlanır. Mikroküreler içinde çok sayıda kuantum noktasının kapsüllenmesi, sinyalleri yükseltebilir ve kuantum nokta tabanlı immünolojik testlerin hassasiyetini artırabilir. Mikro kürelerin içindeki kuantum noktalarını kapsüllemek için katman katman kendi kendine montaj 14,15,16,17,18, şişme yöntemi19,20 ve silika mikroküre 21,22,23,24 kapsülleme gibi çeşitli yöntemler kullanılmıştır. Örneğin, kuantum nokta ile işlevselleştirilmiş silika nanosfer etiketleri, sıkıştırılmış immünoreaksiyon25 başına QD yüklemesi artırılarak elde edilebilir. Nano ölçekli QD-BSA nanosferleri hazırlamak için ultrasonik atomizer ile donatılmış bir sprey kurutucu da kullanılmıştır26. Bununla birlikte, yukarıda belirtilen yöntemler karmaşık çok adımlı, floresan söndürme ve düşük üretkenlikten muzdariptir.
Önceki çalışmamız27’de, polimer nanoboncukların içindeki kuantum noktalarını kapsüllemek için bir emülsiyon-çözücü buharlaştırma yöntemi rapor edilmiştir. Bu hazırlama tekniği basittir, QD’lerin floresan verimliliğini korur, yüksek kapsülleme verimliliği sağlar ve kolay ölçeklenebilir üretime olanak tanır. Çeşitli araştırma grupları, gıda toksini tespiti 28,29,30, bulaşıcı hastalık biyobelirteç tespiti31,32 ve çevresel izleme 33 dahil olmak üzere uygulamalar için bu yöntemle hazırlanan QDNB’leri kullanarak LFIA şeritlerini başarıyla geliştirmiştir.
Bu protokol, kuantum nokta nanoboncuklar (QDNB), QDNB ve antikor konjugasyonu, QDNB tabanlı LFIA’nın hazırlanması ve insan plazma örneklerinde C-reaktif protein (CRP) ölçümü için özel hazırlık adımları sunar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Burada, kuantum nokta nanoboncukların (QDNB)27 hazırlanması için bir protokol ve floresan yanal akış immünolojik testlerinin (LFIA) hazırlanması için QDNB’nin kullanımını açıklıyoruz. Numunelerde CRP’nin kalitatif ve kantitatif ölçümü gösterilmiştir. Bu QDNB bazlı LFIA, diğer hastalık biyobelirteçlerine 25,32, gıda toksinlerine29,30, virüslere 16,…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Şanghay Bilim ve Teknoloji Komitesi (STCSM) Projesi (22S31902000) ve Şanghay Cilt Hastalıkları Hastanesi Klinik Araştırma Kuluçka Programı (NO. lcfy2021-10) tarafından desteklenmiştir.
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).
