단일 양자점 디지털 해상도 바이오센싱을 위한 광결정 강화된 형광 방출 및 깜박임 억제

Nature Communications 13권, 기사 번호: 4647(2022) 이 기사 인용

7414 액세스

20 인용

15 알트메트릭

측정항목 세부정보

나노규모 양자 방출기는 생체분자 상호작용을 측정하는 데 효과적인 태그이지만, 단일 단위 관찰이 필요한 응용 분야에 대한 유틸리티는 큰 개구수(NA) 대물렌즈, 형광 간헐성 및 전방향 방출로 인한 열악한 광자 수집 효율성에 대한 요구 사항으로 인해 제한됩니다. 여기에서는 강화된 여기, 고도로 방향성 추출, 양자 효율 개선 및 광결정(PC) 표면을 통한 깜박임 억제의 곱셈 효과를 통해 달성된 거의 3000배의 신호 강화를 보고합니다. 이 접근 방식은 낮은 NA 렌즈와 저렴한 광학 설정을 사용하는 경우에도 높은 신호 대 잡음비로 단일 양자점(QD) 감도를 달성합니다. PC의 깜박임 억제 기능은 QD 정시를 15%에서 85%로 향상시켜 신호 간헐성을 개선합니다. 우리는 단일 분자 분해능, 단일 염기 돌연변이 선택성 및 10원자 검출 한계를 갖춘 암 관련 miRNA 바이오마커에 대한 분석법을 개발했습니다. 또한 암 특이적 miRNA 서열에서 단일 염기를 변경하여 표면 부착 엄격성이 변경될 때 QD의 차등 표면 운동 궤적을 관찰했습니다.

화학 및 나노입자 기반 형광 리포터는 생명 과학 연구 및 분자 진단의 구성 요소로 널리 활용됩니다. 광자 생성 태그는 리포터를 표적 분자에 부착한 후 광자 방출을 광학 센서로 수집하는 동안 형광을 여기시키는 장비로 검출함으로써 생물학적 분석물의 시각화 및 정량을 가능하게 합니다. 콜로이드 QD는 큰 흡수 계수(>107 M–1 cm–1), 좁고 광범위하게 조정 가능한 방출 대역, 높은 광안정성 및 높은 양자 효율을 포함하여 단일 분자 판독 기능을 갖춘 디지털 분석에 유용한 광범위한 광학 특성을 제공합니다. 플라즈몬 표면과 나노구조를 통해 국소적으로 강화된 전자기장 강도를 통해 형광 리포터를 강화하는 것은 생체분자 분석1,2,3,4,5,6, 특히 많은 형광단의 집합체를 감지하는 분석에서 감소된 검출 한계를 달성하기 위한 효과적인 전략임이 입증되었습니다. , 그 방출은 배경 형광 및 광검출기의 샷 노이즈 위에서 감지할 수 있는 신호를 생성하기 위해 결합됩니다. 일반적인 분석 전략에는 많은 형광단을 함께 모으거나(예: 마이크로어레이 스팟) 효소 증폭을 활용하여 단일 분석물에서 대량의 형광 리포터를 생성하는 것이 포함됩니다.

최근 몇 년 동안 단일 형광 리포터의 여기를 강화하고 광자 방출을 효율적으로 수집하며 다양한 소음원이 있는 경우 관찰할 수 있는 신호를 생성하는 문제를 다루는 많은 연구가 이루어졌습니다. 예를 들어, 내부 전반사 형광(TIRF) 현미경 검사법은 값비싼 고 NA 오일 침지 대물렌즈와 전자 증배 전하 결합(EM-CCD) 카메라를 사용하여 단일 형광단 분해능을 달성하여 신호 대 신호를 30배 이상 증가시킵니다. -노이즈 비율11, 12. 플라즈몬 나노구조13,14,15,16,17,18은 ~100에서 ~1000까지의 형광 강화 계수를 사용하여 전기장 여기 강도의 국지적 강화에 성공한 것으로 입증되었지만, 많은 플라즈몬 구조는 높은 비-노이즈 비율로 어려움을 겪고 있습니다. 금속의 본질적인 손실, 담금질 및 방출된 광자의 낮은 방향성으로 인한 복사 붕괴. 또한, 이러한 나노구조의 공명파장은 나노공진기의 크기, 모양, 재질에 따라 고정된다. 유전체 광학 미세공동을 갖춘 흥미진진한 형광 리포터에 대한 초기 접근 방식은 적당한 방출 속도 향상을 보여줍니다. 유전체 미세공동의 한 가지 한계는 공동의 높은 Q 공명과 실온에서 불균일하게 넓어진 형광 방출체로부터의 스펙트럼적으로 넓은 방출 사이의 불일치입니다. 플라즈몬-유전체 하이브리드 나노갭 및 유전체 나노와이어 슬래브를 이용한 전자기장 강화에 대한 최근 보고는 이러한 문제를 해결하고 ~ 1000배 강화를 보여주지만 전체 표면의 작은 부분만을 드물게 차지하는 소수의 고도로 국지화된 핫스팟을 나타냅니다. 영역. 그럼에도 불구하고, 정교한 나노제조를 통해 이러한 높은 강화 인자를 달성하려면 형광 방출체와 공동 모드 사이의 정확한 정렬이 필요합니다. 이러한 문제를 극복하기 위해 이전 연구에서는 확장된 표면 영역에 걸쳐 PC 표면의 형광 향상을 위해 현미경 기반 접근 방식을 사용했습니다. 1차원 PC23의 Cy-5 결합 스트렙타비딘 층에서 형광 강도가 60배 증가한 것으로 보고되었습니다. 이 향상은 금 거울 반사경을 통해 PC 누출 모드를 기본 Fabry-Perot 유형 캐비티에 결합하여 360배로 향상될 수 있습니다. 2차원 PC 표면에서 누출 모드 보조 형광 추출을 사용하여 QD 층에 대한 108× 형광 향상이 보고되었습니다. 최근에는 Yan et al. 100배 이상의 광대역 형광 향상을 달성하기 위해 초광대역 저지대역을 갖춘 다중 이종구조 PC를 시연했는데, 이는 자체 조립된 2D 콜로이드 결정 단층의 복잡한 층별 제조가 필요했습니다. 형광을 강화하기 위해 3차원 PC 구조도 사용되었습니다. Songet al. PMMA 구의 다층으로 구성된 3D 오팔 PC에 Ru 염료 층을 스핀 코팅하여 이중 저지대 구성으로 ~320배의 발광 향상을 달성했습니다.