Surface plasmon resonance biosensing: Approaches for screening and characterising antibodies for food diagnostics

Research in biosensing approaches as alternative techniques for food diagnostics for the detection of chemical contaminants and foodborne pathogens has increased over the last twenty years. The key component of such tests is the biorecognition element whereby polyclonal or monoclonal antibodies still dominate the market. Traditionally the screening of sera or cell culture media for the selection of polyclonal or monoclonal candidate antibodies respectively has been performed by enzyme immunoassays. For niche toxin compounds, enzyme immunoassays can be expensive and/or prohibitive methodologies for antibody production due to limitations in toxin supply for conjugate production. Automated, self-regenerating, chip-based biosensors proven in food diagnostics may be utilised as rapid screening tools for antibody candidate selection. This work describes the use of both single channel and multi-channel surface plasmon resonance (SPR) biosensors for the selection and characterisation of antibodies, and their evaluation in shellfish tissue as standard techniques for the detection of domoic acid, as a model toxin compound. The key advantages in the use of these biosensor techniques for screening hybridomas in monoclonal antibody production were the real time observation of molecular interaction and rapid turnaround time in analysis compared to enzyme immunoassays. The multichannel prototype instrument was superior with 96 analyses completed in 2h compared to 12h for the single channel and over 24h for the ELISA immunoassay. Antibodies of high sensitivity, IC50's ranging from 4.8 to 6.9ng/mL for monoclonal and 2.3-6.0ng/mL for polyclonal, for the detection of domoic acid in a 1min analysis time were selected. Although there is a progression for biosensor technology towards low cost, multiplexed portable diagnostics for the food industry, there remains a place for laboratory-based SPR instrumentation for antibody development for food diagnostics as shown herein.

A surface plasmon resonance system for the underwater detection of domoic acid

Over the past decade Surface Plasmon Resonance (SPR) techniques have been applied to the measurement of numerous analytes. In this article, an SPR biosensor system deployed from an oceanographic vessel was used to measure dissolved domoic acid (DA), a common and harmful phycotoxin produced by certain microalgae species belonging to the genus Pseudo-nitzschia. During the biosensor deployment, concentrations of Pseudo-nitzschia cells were very low over the study area and measured DA concentrations were below detection. However, the in situ operational detection limit of the system was established using calibrated seawater solutions spiked with DA. The system could detect the toxin at concentrations as low as 0.1 ng mL−1 and presented a linear dynamic range from 0.1 ng mL−1 to 2.0 ng mL−1. This sensor showed promise for in situ detection of DA.

Localized Surface Plasmon Resonance Biosensors for Real-Time Biomolecular Binding Study

Surface Plasmon Resonance (SPR) and localized surface plasmon resonance (LSPR) biosensors have brought a revolutionary change to in vitro study of biological and biochemical processes due to its ability to measure extremely small changes in surface refractive index (RI), binding equilibrium and kinetics. Strategies based on LSPR have been employed to enhance the sensitivity for a variety of applications, such as diagnosis of diseases, environmental analysis, food safety, and chemical threat detection. In LSPR spectroscopy, absorption and scattering of light are greatly enhanced at frequencies that excite the LSPR, resulting in a characteristic extinction spectrum that depends on the RI of the surrounding medium. Compositional and conformational change within the surrounding medium near the sensing surface could therefore be detected as shifts in the extinction spectrum. This dissertation specifically focuses on the development and evaluation of highly sensitive LSPR biosensors for in situ study of biomolecular binding process by incorporating nanotechnology. Compared to traditional methods for biomolecular binding studies, LSPR-based biosensors offer real-time, label free detection. First, we modified the gold sensing surface of LSPR-based biosensors using nanomaterials such as gold nanoparticles (AuNPs) and polymer to enhance surface absorption and sensitivity. The performance of this type of biosensors was evaluated on the application of small heavy metal molecule binding affinity study. This biosensor exhibited ~7 fold sensitivity enhancement and binding kinetics measurement capability comparing to traditional biosensors. Second, a miniaturized cell culture system was integrated into the LSPR-based biosensor system for the purpose of real-time biomarker signaling pathway studies and drug efficacy studies with living cells. To the best of our knowledge, this is the first LSPR-based sensing platform with the capability of living cell studies. We demonstrated the living cell measurement ability by studying the VEGF signaling pathway in living SKOV-3 cells. Results have shown that the VEGF secretion level from SKOV-3 cells is 0.0137 ± 0.0012 pg per cell. Moreover, we have demonstrated bevacizumab drug regulation to the VEGF signaling pathway using this biosensor. This sensing platform could potentially help studying biomolecular binding kinetics which elucidates the underlying mechanisms of biotransportation and drug delivery.

Quantitative determination of optical transmission through subwavelength slit arrays in Ag films: Role of surface wave interference and local coupling between adjacent slits

Measurement of the transmitted intensity from a coherent monomode light source through a series of subwavelength slit arrays in Ag films, with varying array pitch and number of slits, demonstrates enhancement (suppression) by factors of as much as 6 (9) when normalized to the transmission efficiency of an isolated slit. Pronounced minima in the transmitted intensity are observed at array pitches corresponding to lambda(SPP), 2 lambda(SPP), and 3 lambda(SPP), where lambda(SPP) is the wavelength of the surface plasmon polariton (SPP). The position of these minima arises from destructive interference between incident propagating waves and pi-phase-shifted SPP waves. Increasing the number of slits to four or more does not increase appreciably the per-slit transmission intensity. A simple interference model fits well the measured transmitted intensity profile.

Semiclassical image potential at a solid surface

A surface dielectric function of a semi-infinite plane-bounded metal is defined in the spirit of the plasmon-pole dielectric function of the bulk. It is modeled in such a way that the surface-plasmon dispersion relation is recovered for small momentum transfer. This function is employed to compute the image potential at all distances outside the surface. Interaction with bulk modes is neglected for simplicity and clarity. The interaction of a massive point charge with a metal surface is also considered in the context of a boson model for surface-plasmon excitation. We present a new definition of the image potential for this case.

Propriétés optiques et analytiques des nanotrous : vers la conception de biocapteurs en résonance des plasmons de surface localisés

Les biocapteurs sont utilisés quotidiennement pour déterminer la présence de molécules biologiques dans une matrice complexe, comme l’urine pour les tests de grossesses ou le sang pour les glucomètres. Les techniques courantes pour la détection des autres maladies nécessitent fréquemment le marquage de l’analyte avec une autre molécule, ce qui est à éviter pour fin de simplicité d’analyse. Ces travaux ont pour but la maximisation de la sensibilité d’une surface d’or ou d’argent nanotrouée, afin de permettre la détection de la liaison de molécules biologiques par résonance des plasmons de surface localisés (LSPR), en utilisant la spectroscopie de transmission. Un biocapteur portable, rapide et sans marquage pour quantifier des analytes d’intérêt médical ou environnemental pourrait être construit à partir de ces travaux. Dans l’objectif d’étudier de nombreuses configurations pour maximiser la sensibilité, le temps et le coût des méthodes de fabrication de nanostructures habituelles auraient limité le nombre de surfaces nanotrouées pouvant être étudiées. Un autre objectif du projet consiste donc au développement d’une technique de fabrication rapide de réseaux de nanotrous, et à moindres coûts, basée sur la lithographie de nanosphères (NSL) et sur la gravure au plasma à l’oxygène (RIE). La sensibilité à la variation d’indice de réfraction associée aux liaisons de molécules sur la surface du métal noble et la longueur d’onde d’excitation du plasmon de surface sont influencées par les caractéristiques des réseaux de nanotrous. Dans les travaux rapportés ici, la nature du métal utilisé, le diamètre ainsi que la périodicité des trous sont variés pour étudier leur influence sur les bandes LSPR du spectre en transmission pour maximiser cette sensibilité, visant la fabrication d’un biocapteur. Les surfaces d’argent, ayant un diamètre de nanotrous inférieur à 200 nm pour une périodicité de 450 nm et les nanotrous d’une périodicité de 650 nm démontre un potentiel de sensibilité supérieur.

Monocouches peptidiques auto-assemblées et applications dans le domaine des biocapteurs de résonance de plasmon de surfaces

Ces travaux visent à étendre les applications de la résonance de plasmons de surface (SPR) L’objectif est d’offrir des outils diagnostics plus rapides, efficaces et simple d’utilisation pour diagnostiquer ou effectuer le suivi de conditions cliniques. Pour se faire, un nouveau type d’instrumentation SPR basé sur l’utilisation d’un prisme d’inversion (dove) a permis d’atteindre une limite de détection (LOD) de 10-6 unité d’indice de réfraction (RIU), une valeur comparable aux instruments commerciaux complexes tout en demeurant peu dispendieux, robuste et simple d’utilisation. Les travaux présentés dans cet ouvrage visent, dans un second temps, à réduire les interactions nonspécifiques (NSB) entre la surface des biocapteurs SPR et les composants de la matrice biologique complexe telles que: l’urine, le lysat cellulaire, le sérum et le sang. Ces dernières induisent des réponses empêchant l’utilisation de biocapteurs SPR en milieux complexes. Les acides aminés (AA) offrent une grande variété de propriétés physico-chimiques permettant la mise au point de monocouches auto-assemblées (SAM) aux propriétés diverses. Initialement, 19 des 20 acides aminés naturels ont été attachés à l’acide 3-mercaptopropionique (3-MPA) formant des SAMs peptidomimétiques. La quantité d’interactions nonspécifiques engendrées par ces différentes surfaces a été mesurée en exposant ces surfaces au sérum sanguin bovin complet variant de 400 ng/cm² jusqu’à 800 ng/cm². La détection à l’aide de ces surfaces de la β-lactamase (une enzyme responsable de la résistance aux antibiotiques au niveau μM) a démontré la possibilité d’employer ces surfaces pour bâtir des biocapteurs SPR. Des peptides de longueur allant de 2 à 5 résidus attachés à 3-MPA ont été synthétisés sur support solide. Cette étude a démontré que l’augmentation de la longueur des peptides formés d’AA résistants aux NBS accroit leur résistance jusqu’à 5 résidus. Le composé le plus performant de ce type (3-MPA-(Ser)5-OH) a permis d’atteindre 180 ng/cm². Cette valeur est similaire à celle des meilleures surfaces disponibles commercialement, notamment les surfaces de polyethylène glycol (PEG) à 100 ng/cm². Des surfaces de 3-MPA-(Ser)5-OH ont permis l’étalonnage de la β-lactamase et sa quantification directe dans un lysat cellulaire. La LOD pour ces biocapteurs est de 10 nM. Une troisième génération de surfaces peptidiques binaires a permis la réduction de la NSB jusqu’à un niveau de 23±10 ng/cm² une valeur comparable aux meilleures surfaces disponibles. Ces surfaces ont permis l’étalonnage d’un indicateur potentiel du cancer la metalloprotéinase-3 de matrice (MMP-3). Les surfaces formées de peptides binaires (3-MPA-H3D2-OH) ont permis la quantification directe de la MMP-3 dans le sérum sanguin complet. Une quatrième génération de surfaces peptidiques a permis de réduire davantage le niveau de NSB jusqu’à une valeur de 12 ± 11 ng/cm². Ces surfaces ont été modifiées en y attachant une terminaison de type acide nitriloacétique (NTA) afin d’y attacher des biomolécules marquées par six résidus histidines terminaux. Ces surfaces ont permis le développement d’une méthode rapide de balayage des ligands ciblant le « cluster of differenciation-36 » (CD36). L’étude d’électroformation des monocouches de peptide a permis de déterminer les conditions de formation optimales d’une couche de 3-MPA-HHHDD-OH permettant ainsi la formation de monocouches résistantes au NSB en moins de 6 minutes en appliquant un potentiel de formation de 200mV vs Ag/AgCl.

Fabrication des films microstructurés et leurs caractéristiques en spectroscopie de résonance des plasmons de surface

Cette thèse caractérise les propriétés optiques des matériaux plasmoniques microstructurés et procède à l’évaluation des paramètres analytiques afin de les employer comme plateforme de biodétection en spectroscopie de résonance des plasmons de surface (SPR). Aux dimensions micrométriques, les matériaux plasmoniques présentent des caractéristiques optiques propres aux nano- et macromatériaux. La cartographie physicooptiques en SPR de matériaux méso- et microscopiques s’est effectuée à l’aide de films structurés de motifs périodiques triangulaires et circulaires fabriqués par une technique modifiée de lithographie par nanosphères (nanosphere lithography, NSL). À partir de cette vue d’ensemble, quelques films structurés ont été sélectionné en fonction d’aspects analytiques tels que la sensibilité et la résolution face aux variations d’indice de réfraction (RI) pour déterminer le potentiel de ces matériaux comme plateforme de biodetection. Les propriétés optiques distinctes des films microstructurés proviennent d’interactions résonantes entre les modes de plasmons de surface (SP) localisé et délocalisé identifiés par la relation de dispersion en SPR ainsi que l’imagerie Raman. Les conditions de résonance des modes SP dépendant de paramètres expérimentaux (λ, θ, η) tel qu’observés numériquement par rigorous coupled wave analysis (RCWA) et empiriquement. Ces travaux démontrent la nature plasmonique distincte des micro-matériaux et leur potentiel d’intégration aux techniques analytiques SPR existantes. Les matériaux plasmoniques micrométriques furent également étudiés pour l’implémentation de la SPR à une pointe de microscopie à force atomique (atomic force microscopy, AFM) combinant ainsi la spectroscopie à l’imagerie topographique. Des travaux préliminaires se sont concentrés sur la signature spectroscopique de leviers en silicium (Si) et en nitrure de silicium (Si3N4), l’impact d’un revêtement d’or sur les pointes et l’influence de milieu environnant. Une image d’origine plasmonique a été obtenue avec des leviers en Si3N4 revêtus d’or en transmission dans un environnement aqueux, indiquant ainsi le potentiel de ces pointes comme micro-biocapteur SPR. Ces résultats préliminaires servent de fondement pour orienter les prochaines investigations dans ce projet.

Étude de l’oxydoréduction de monocouches électroactives de ferrocénylalcanethiolates par spectroscopie à résonance des plasmons de surface

L’oxydoréduction de monocouches auto-assemblées (SAMs) de ferrocénylalcanethiolates à la surface d’or (FcRSAu) a été étudiée en temps réel par la spectroscopie de résonance de plasmons de surface couplée avec l’électrochimie (E-SPR). La sensibilité de cette technique permet de déterminer des changements d’épaisseur de couche l’ordre de quelques angström résultant d’un changement de structure de la SAM. Plusieurs études antérieures ont proposé que l’oxydation électrochimique d’une SAM de FcRSAu induit une réorientation moléculaire. L’E-SPR est utilisé pour identifier l’origine de ce changement structurel. D’abord, une calibration du réfractomètre SPR utilisé a été effectuée afin de trouver une équation de conversion du signal SPR obtenu en pixel en angle d’incidence pour que l’on puisse calculer le changement d’épaisseur de monocouche à partir du changement d’angle de résonance avec le modèle de Fresnel. Par la suite, une caractérisation approfondie des SAMs de FcCnSAu (où n = 6, 8, 12, 14) en contact avec du NaClO4 acidifié a été réalisée par électrochimie, éllipsométrie, spectroscopie infrarouge et microscopie à force atomique. Les résultats obtenus montrent que l’augmentation de la longueur des chaînes alkyles donne des SAMs de ferrocènes plus épaisses et moins désordonnées. L’analyse par l’E-SPR de ces SAMs pures montre que le changement d’épaisseur induit par l’électro-oxydation dépend linéairement du nombre de méthylènes sur la chaîne alkyle. En appliquant la déconvolution mathématique aux voltampérogrammes cycliques enregistrés pour les SAM mixtes (FcC12SAu/C11SAu) de différentes compositions, on arrive à la conclusion qu’il y a un redressement des chaînes alkyles dans les domaines des ferrocènes agrégés mais la réorientation des têtes de ferrocène dans les domaines de ferrocènes agrégés ou dispersés ne peut pas être exclue. Enfin, l’effet de l’anion électrolytique sur le changement d’épaisseur de la SAM mesuré par l’E-SPR a été étudié. L’analyse électrochimique montre que la capacité de pairage d’anions avec les ferrocéniums décroit comme suit : PF6- > ClO4- > BF4- > NO3-. Tandis que l’épaisseur de la SAM donnée par le changement d’angle de résonance suit la tendance suivante : NO3- ≥ ClO4- > PF6- ≈ BF4-. Des études plus approfondies seront nécessaire pour clarifier cette tendance observée par E-SPR.

Tunable plasmon resonance modes on gold nanoparticles in Er 3 +-doped germanium-tellurite glass

Relative to the Er3 +:gold-nanoparticle (Er3 +:Au-NP) axis, the polarization of the gold nanoparticle can be longitudinal (electric dipole parallel to the Er3 +:Au-NP axis) or transverse (electric dipole perpendicular to the Er3 +:Au-NP axis). For longitudinal polarization, the plasmon resonance modes of gold nanoparticles embedded in Er3 +-doped germanium-tellurite glass are activated using laser lines at 808 and 488 nm in resonance with radiative transitions of Er3 + ions. The gold nanoparticles were grown within the host glass by thermal annealing over various lengths of time, achieving diameters lower than 1.6 nm. The resonance wavelengths, determined theoretically and experimentally, are 770 and 800 nm. The absorption wavelength of nanoparticles was determined by using the Frohlich condition. Gold nanoparticles provide tunable emission resulting in a large enhancement for the 2H11/2 → 4I13/2 (emission at 805 nm) and 4S 3/2 → 4I13/2 (emission at 840 nm) electronic transitions of Er3 + ions; this is associated with the quantum yield of the energy transfer process. The excitation pathways, up-conversion and luminescence spectra of Er3 + ions are described through simplified energy level diagrams. We observed that up-conversion is favored by the excited-state absorption due to the presence of the gold nanoparticles coupled with the Er3 + ions within the glass matrix. © 2013 Elsevier B.V.

Large-Area Plasmonic Substrate of Silver-Coated Iron Oxide Nanorod Arrays for Plasmon-Enhanced Spectroscopy

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Exploring copper nanostructures as highly uniform and reproducible substrates for plasmon-enhanced fluorescence

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Focusing surface plasmons on Er3+ ions through gold planar plasmonic lenses

Gold plasmonic lenses consisting of a planar concentric rings-groove with different periods were milled with a focused gallium ion beam on a gold thin film deposited onto an Er3+-doped tellurite glass. The plasmonic lenses were vertically illuminated with an argon ion laser highly focused by means of a 50x objective lens. The focusing mechanism of the plasmonic lenses is explained using a coherent interference model of surface plasmon-polariton (SPP) generation on the circular grating due to the incident field. As a result, phase modulation can be accomplished by the groove gap, similar to a nanoslit array with different widths. This focusing allows a high confinement of SPPs that can excite the Er3+ ions of the glass. The Er3+ luminescence spectra were measured in the far-field (500-750 nm wavelength range), where we could verify the excitation yield via the plasmonic lens on the Er3+ ions. We analyze the influence of the geometrical parameters on the luminescence spectra. The variation of these parameters results in considerable changes of the luminescence spectra.

Surface modification by metal ion implantation forming metallic nanoparticles in insulating matrix.

There is special interest in the incorporation of metallic nanoparticles in a surrounding dielectric matrix for obtaining composites with desirable characteristics such as for surface plasmon resonance, which can be used in photonics and sensing, and controlled surface electrical conductivity. We investigated nanocomposites produced through metallic ion implantation in insulating substrate, where the implanted metal self-assembles into nanoparticles. During the implantation, the excess of metal atom concentration above the solubility limit leads to nucleation and growth of metal nanoparticles, driven by the temperature and temperature gradients within the implanted sample including the beam-induced thermal characteristics. The nanoparticles nucleate near the maximum of the implantation depth profile (projected range), that can be estimated by computer simulation using the TRIDYN. This is a Monte Carlo simulation program based on the TRIM (Transport and Range of Ions in Matter) code that takes into account compositional changes in the substrate due to two factors: previously implanted dopant atoms, and sputtering of the substrate surface. Our study suggests that the nanoparticles form a bidimentional array buried few nanometers below the substrate surface. More specifically we have studied Au/PMMA (polymethylmethacrylate), Pt/PMMA, Ti/alumina and Au/alumina systems. Transmission electron microscopy of the implanted samples showed the metallic nanoparticles formed in the insulating matrix. The nanocomposites were characterized by measuring the resistivity of the composite layer as function of the dose implanted. These experimental results were compared with a model based on percolation theory, in which electron transport through the composite is explained by conduction through a random resistor network formed by the metallic nanoparticles. Excellent agreement was found between the experimental results and the predictions of the theory. It was possible to conclude, in all cases, that the conductivity process is due only to percolation (when the conducting elements are in geometric contact) and that the contribution from tunneling conduction is negligible.

Functionalized surfaces and surface functionalization of nanomaterials

Nature leads, we follow. But nanotechnologists are in hot pursuit, in designing controllable structures that can mimic naturally occurring and artificially synthesized materials on a common platform. The supramolecular chemistry concerns the investigation of nature principles to produce fascinating complexed and functional molecular assemblies, as well as the utilization of these principles to generate novel devices and materials, potentially useful for sensing, catalysis, transport and other applications in medical or engineering science. The work presented in this thesis is a compilation of different synthetic methods to achieve inorganic-organic hybrid nanomaterials. Silicatein, a protein enzyme, which acts both as a catalyst and template for the formation of silica needles in marine sponges, has been used for the biosynthesis of semiconductor metal oxides on surfaces. Silicatein was immobilized on gold (111) surfaces using alkane thiol, as well as on a novel self-assembly of NTA on top of a “cushion” of reactive ester polymer has been successfully employed to make functionalised surfaces. The immobilization of silicatein on surfaces was monitored by surface plasmon spectroscopy, atomic force microscopy and confocal laser scanning microscopy. Surface bound silicatein retains its biocatalytic activity, which was demonstrated by monitoring its hydrocatalytic activity to catalyse the synthesis of biosilica, biotitania, and biozirconia. The synthesis of semiconductor metal oxides was characterized using scanning electron microscopy. This hydrolytic biocatalyst is used to synthesize the gold nanoparticles. The gold nanoparticles are formed by reduction of tetrachloroaurate, AuCl4-, by the action of sulfhydryl groups hidden below the surface groups of the protein. The resulting gold nanoparticles which are stabilized by surface bound silicatein further aggregate to form Au nanocrystals. The shape of the nanocrystals obtained by using recombinant silicatein is controlled through chiral induction by the protein during the nucleation of the nanocrystals. As an extension of this work, TiO2 nanowires were functionalized using polymeric ligand which incorporates the nitrilotriacetic acid (NTA) linker in the back bone to immobilize His-tagged silicatein onto the TiO2 nanowires. The surface bound protein not only retains its original hydrolytic properties, but also acts as a reductant for AuCl4- in the synthesis of hybrid TiO2/silicatein/Au nanocomposites. Functionalized, monocrystalline rutile TiO2 nanorods were prepared from TiCl4 in aqueous solution in the presence of dopamine. The surface bound organic ligand controls the morphology as well as the crystallinity and the phase selection of TiO2. The surface amine groups can be tailored further with functional molecules such as dyes. As an example, this surface functionality is used for the covalent binding of a fluorescent dye,4-chloro-7- nitrobenzylurazene (NBD) to the TiO2 nanorods. The polymeric ligands have been used successfully for the in-situ and post-functionalization of TiO2 nanoparticles. Besides to chelating dopamine anchor group the multifunctional ligand system presented here incorporates a modifier molecule which allows the binding of functional molecules (here the dyes pyrene, NBD, and Texas Red) as well as additional entities which allow tailoring the solubility of inorganic nanocrystals in different solvents. A novel method for the surface functionalization of fullerene-type MoS2 nanoparticles and subsequently binding these nanoparticles onto TiO2 nanowires has been reported using polymeric ligands. The procedure involves the complexation of IF-MoS2 with a combination of Ni2+ via an umbrella-type nitrilotriacetic acid (NTA) and anchoring them to the sidewalls of TiO2 nanowires utilizing the hydroxyl groups of dopamine present in the main contents of polymeric ligand. A convenient method for the synthesis of Au/CdS nanocomposites has been presented, which were achieved through the novel method of thiol functionalization of gold colloids. The thermodynamically most stable phase of ZrO2 (cubic) has been obtained at much lower temperature (180°C). These nanoparticles are highly blue fluorescent, with a high surface area.