多重比色センサーにおける性能向上のための生体機能性金で装飾された微粒子へのイオン強度の影響

Ionic Strength Influences on Biofunctional Au-Decorated Microparticles for Enhanced Performance in Multiplexed Colorimetric Sensors.

• Susana Díaz-Amaya
• Min Zhao
• Jan P Allebach
• George T-C Chiu
• Lia A Stanciu

抄録

バイオセンサーの開発の高まりは、健康、食品、環境モニタリングのための大きな可能性を提供しています。しかし、多くの比色測定プラットフォームでは、変化するイオン強度（塩濃度）に応答して非特異的な凝集に向かって従来の金ナノ粒子の傾向に起因する性能制限があります。この研究では、微粒子の新しいタイプの比色アプタマー機能化ラベリングを提案します。結果として得られるデバイスは、費用対効果の高い、機器不要、ポータブルで信頼性の高いアプタセンサーであり、マルチプレックス、マルチレプリケートの能力を持つユニバーサル紙ベースの比色測定プラットフォームの製造の基礎として機能し、定量的な比色検出を提供しています。制御された製造プロセスは、製造されたデバイス（= 40）から得られた信号の90％を±1標準偏差（SD）（相対的なSD = 5.69％）以内に保ち、メソカーティック正規分布（= 0.385）に従うことによって実証されました。我々は、検出スキームの基礎として、高安定な多層ラベル粒子（ssDNA-PEI-Au-PS）のための塩誘起凝集メカニズムを初めて提案する。DNAアプタマーを捕捉生体分子として使用し、PEIをカプセル化剤として使用することで、高感度かつ高特異的な比色反応が可能となる。概念実証として、水銀（Hg）とヒ素（As）の多重検出を実証した。さらに、我々は、可能な干渉イオンのプールに対して製造されたデバイスの高い特異性を証明するのに十分な証拠（> 0.05）で、両方のターゲットとなる分析的な検出を可能にしたゾーンのセグメンテーションと色信号の定量化をテストするための堅牢な画像解析アルゴリズムを導入しました。

The rising development of biosensors offers a great potential for health, food, and environmental monitoring. However, in many colorimetric platforms, there is a performance limitation stemming from the tendency of traditional Au nanoparticles toward nonspecific aggregation in response to changing ionic strength (salt concentration). This work puts forward a new type of colorimetric aptamer-functionalized labeling of microparticles, which allows to leverage an increase in ionic strength as a positive driver of enhanced detection performance of analytical targets. The resulting device is a cost-effective, instrument-free, portable, and reliable aptasensor that serves as basis for the fabrication of universal paper-based colorimetric platforms with the capability of multiplex, multireplicates and provides quantitative colorimetric detection. A controlled fabrication process was demonstrated by keeping 90% of the signal obtained from the as-fabricated devices ( = 40) within ± 1 standard deviation (SD) (relative SD = 5.69%) and following a mesokurtic normal-like distribution ( = 0.385). We propose for the first time a salt-induced aggregation mechanism for highly stable multilayered label particles (ssDNA-PEI-Au-PS) as the basis of the detection scheme. The use of DNA aptamers as capture biomolecules and PEI as an encapsulating agent allows for a sensitive and highly specific colorimetric response. As a proof of concept, multiplexed detection of mercury (Hg) and arsenic (As) was demonstrated. In addition, we introduced a robust image analysis algorithm for testing zone segmentation and color signal quantification that allowed for analytical detection, reaching a limit of detection of 1 ppm for both targeted analytes, with enough evidence ( > 0.05) to prove the high specificity of the fabricated device versus a pool of possible interferent ions.