Published April 20, 2015
| Version v1
Publication
Open
Multiscale Sensing of Antibody–Antigen Interactions by Organic Transistors and Single-Molecule Force Spectroscopy
Creators
- 1. University of Modena and Reggio Emilia
- 2. Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid
- 3. Institute of Nanostructured Materials
- 4. Institute of Structure of Matter
- 5. Institute of Organic Synthesis and Photoreactivity
- 6. Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Description
Antibody-antigen (Ab-Ag) recognition is the primary event at the basis of many biosensing platforms. In label-free biosensors, these events occurring at solid-liquid interfaces are complex and often difficult to control technologically across the smallest length scales down to the molecular scale. Here a molecular-scale technique, such as single-molecule force spectroscopy, is performed across areas of a real electrode functionalized for the immunodetection of an inflammatory cytokine, viz. interleukin-4 (IL4). The statistical analysis of force-distance curves allows us to quantify the probability, the characteristic length scales, the adhesion energy, and the time scales of specific recognition. These results enable us to rationalize the response of an electrolyte-gated organic field-effect transistor (EGOFET) operated as an IL4 immunosensor. Two different strategies for the immobilization of IL4 antibodies on the Au gate electrode have been compared: antibodies are bound to (i) a smooth film of His-tagged protein G (PG)/Au; (ii) a 6-aminohexanethiol (HSC6NH2) self-assembled monolayer on Au through glutaraldehyde. The most sensitive EGOFET (concentration minimum detection level down to 5 nM of IL4) is obtained with the first functionalization strategy. This result is correlated to the highest probability (30%) of specific binding events detected by force spectroscopy on Ab/PG/Au electrodes, compared to 10% probability on electrodes with the second functionalization. Specifically, this demonstrates that Ab/PG/Au yields the largest areal density of oriented antibodies available for recognition. More in general, this work shows that specific recognition events in multiscale biosensors can be assessed, quantified, and optimized by means of a nanoscale technique.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
التعرف على مستضد الأجسام المضادة (Ab - Ag) هو الحدث الأساسي في أساس العديد من منصات الاستشعار الحيوي. في المستشعرات الحيوية الخالية من الملصقات، تكون هذه الأحداث التي تحدث في الواجهات الصلبة والسائلة معقدة وغالبًا ما يصعب التحكم فيها تقنيًا عبر أصغر مقاييس الطول وصولًا إلى المقياس الجزيئي. هنا يتم إجراء تقنية على نطاق جزيئي، مثل التحليل الطيفي لقوة جزيء واحد، عبر مناطق من قطب حقيقي يعمل على الكشف المناعي عن السيتوكين الالتهابي، أي إنترلوكين -4 (IL4). يسمح لنا التحليل الإحصائي لمنحنيات مسافة القوة بتحديد الاحتمال ومقاييس الطول المميزة وطاقة الالتصاق والمقاييس الزمنية للتعرف المحدد. تمكننا هذه النتائج من ترشيد استجابة ترانزستور تأثير المجال العضوي المنحل بالكهرباء (EGOFET) الذي يعمل كمستشعر مناعي IL4. تمت مقارنة استراتيجيتين مختلفتين لتثبيت الأجسام المضادة IL4 على قطب بوابة الاتحاد الافريقي: ترتبط الأجسام المضادة بـ (1) فيلم سلس من البروتين G (PG)/Au الموسوم ؛ (2) طبقة أحادية 6 -أمينوهيكسانثيول (HSC6NH2) ذاتية التجميع على الاتحاد الافريقي من خلال الجلوتارالدهيد. يتم الحصول على EGOFET الأكثر حساسية (مستوى الكشف الأدنى للتركيز حتى 5 نانومتر من IL4) مع استراتيجية التنشيط الأولى. ترتبط هذه النتيجة بأعلى احتمال (30 ٪) لأحداث الربط المحددة التي تم الكشف عنها بواسطة مطياف القوة على أقطاب AB/PG/Au، مقارنة باحتمال 10 ٪ على الأقطاب الكهربائية مع الوظيفة الثانية. على وجه التحديد، يوضح هذا أن AB/PG/Au تنتج أكبر كثافة مساحية للأجسام المضادة الموجهة المتاحة للتعرف عليها. بشكل عام، يوضح هذا العمل أنه يمكن تقييم أحداث التعرف المحددة في أجهزة الاستشعار البيولوجية متعددة المقاييس وقياسها وتحسينها عن طريق تقنية المقياس النانوي.Translated Description (French)
La reconnaissance des anticorps-antigènes (Ab-Ag) est l'événement principal à la base de nombreuses plateformes de biodétection. Dans les biocapteurs sans étiquette, ces événements se produisant aux interfaces solide-liquide sont complexes et souvent difficiles à contrôler technologiquement sur les plus petites échelles de longueur jusqu'à l'échelle moléculaire. Ici, une technique à l'échelle moléculaire, telle que la spectroscopie de force à une seule molécule, est réalisée sur les zones d'une électrode réelle fonctionnalisée pour l'immunodétection d'une cytokine inflammatoire, à savoir l'interleukine-4 (IL4). L'analyse statistique des courbes force-distance nous permet de quantifier la probabilité, les échelles de longueur caractéristiques, l'énergie d'adhésion et les échelles de temps de reconnaissance spécifique. Ces résultats nous permettent de rationaliser la réponse d'un transistor à effet de champ organique électrolytique (EGOFET) fonctionnant comme un immunocapteur IL4. Deux stratégies différentes pour l'immobilisation des anticorps IL4 sur l'électrode de grille Au ont été comparées : les anticorps sont liés à (i) un film lisse de protéine G (PG)/Au marquée par His ; (ii) une monocouche auto-assemblée de 6-aminohexanethiol (HSC6NH2) sur Au par le glutaraldéhyde. L'EGOFET le plus sensible (niveau de détection minimum de concentration jusqu'à 5 nM d'IL4) est obtenu avec la première stratégie de fonctionnalisation. Ce résultat est corrélé à la probabilité la plus élevée (30%) d'événements de liaison spécifiques détectés par spectroscopie de force sur les électrodes Ab/PG/Au, par rapport à 10% de probabilité sur les électrodes avec la deuxième fonctionnalisation. Plus précisément, cela démontre que l'Ab/PG/Au donne la plus grande densité surfacique d'anticorps orientés disponibles pour la reconnaissance. Plus généralement, ce travail montre que des événements de reconnaissance spécifiques dans des biocapteurs multi-échelles peuvent être évalués, quantifiés et optimisés au moyen d'une technique à l'échelle nanométrique.Translated Description (Spanish)
El reconocimiento anticuerpo-antígeno (Ab-Ag) es el evento principal en la base de muchas plataformas de biosensores. En los biosensores sin etiqueta, estos eventos que ocurren en las interfaces sólido-líquido son complejos y, a menudo, difíciles de controlar tecnológicamente en las escalas de longitud más pequeñas hasta la escala molecular. Aquí se realiza una técnica a escala molecular, como la espectroscopia de fuerza de una sola molécula, en áreas de un electrodo real funcionalizado para la inmunodetección de una citocina inflamatoria, a saber, la interleucina-4 (IL4). El análisis estadístico de las curvas de fuerza-distancia nos permite cuantificar la probabilidad, las escalas características de longitud, la energía de adhesión y las escalas temporales de reconocimiento específico. Estos resultados nos permiten racionalizar la respuesta de un transistor orgánico de efecto de campo regulado por electrolito (EGOFET) que funciona como un inmunosensor de IL4. Se han comparado dos estrategias diferentes para la inmovilización de anticuerpos IL4 en el electrodo de puerta de Au: los anticuerpos se unen a (i) una película lisa de proteína G etiquetada con His (PG)/Au; (ii) una monocapa autoensamblada de 6-aminohexanotiol (HSC6NH2) en Au a través de glutaraldehído. El EGOFET más sensible (nivel de detección mínimo de concentración hasta 5 nM de IL4) se obtiene con la primera estrategia de funcionalización. Este resultado se correlaciona con la mayor probabilidad (30%) de eventos de unión específica detectados por espectroscopia de fuerza en electrodos Ab/PG/Au, en comparación con el 10% de probabilidad en electrodos con la segunda funcionalización. Específicamente, esto demuestra que Ab/PG/Au produce la mayor densidad de área de anticuerpos orientados disponibles para el reconocimiento. Más en general, este trabajo muestra que los eventos de reconocimiento específicos en biosensores multiescala se pueden evaluar, cuantificar y optimizar mediante una técnica a nanoescala.Files
ACS%20Nano%20proof_2015.pdf.pdf
Files
(2.1 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:7030102d778aa822b87ab4171774e5b9
|
2.1 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- استشعار متعدد النطاقات لتفاعلات الأجسام المضادة والمستضد بواسطة الترانزستورات العضوية والتحليل الطيفي لقوة الجزيء الواحد
- Translated title (French)
- Détection multi-échelle des interactions anticorps-antigène par transistors organiques et spectroscopie de force à molécule unique
- Translated title (Spanish)
- Detección multiescala de interacciones anticuerpo-antígeno mediante transistores orgánicos y espectroscopía de fuerza de molécula única
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W1994505594
- DOI
- 10.1021/acsnano.5b00136
References
- https://openalex.org/W1482030853
- https://openalex.org/W1965111311
- https://openalex.org/W1967838843
- https://openalex.org/W1969785573
- https://openalex.org/W1971596102
- https://openalex.org/W1971757907
- https://openalex.org/W1973512163
- https://openalex.org/W1974262428
- https://openalex.org/W1975319657
- https://openalex.org/W1978170002
- https://openalex.org/W1980461645
- https://openalex.org/W1981637370
- https://openalex.org/W1983321129
- https://openalex.org/W1983580477
- https://openalex.org/W1985178332
- https://openalex.org/W1985900564
- https://openalex.org/W1992636212
- https://openalex.org/W1993118227
- https://openalex.org/W1993510035
- https://openalex.org/W2000755977
- https://openalex.org/W2002777840
- https://openalex.org/W2004868463
- https://openalex.org/W2011217109
- https://openalex.org/W2014877781
- https://openalex.org/W2016277424
- https://openalex.org/W2016867898
- https://openalex.org/W2018085447
- https://openalex.org/W2019877102
- https://openalex.org/W2024624086
- https://openalex.org/W2028705946
- https://openalex.org/W2030133817
- https://openalex.org/W2034680969
- https://openalex.org/W2035834153
- https://openalex.org/W2036833864
- https://openalex.org/W2037170319
- https://openalex.org/W2037720334
- https://openalex.org/W2039719273
- https://openalex.org/W2042386191
- https://openalex.org/W2047121664
- https://openalex.org/W2051500021
- https://openalex.org/W2056066120
- https://openalex.org/W2056087409
- https://openalex.org/W2057980421
- https://openalex.org/W2058912578
- https://openalex.org/W2059598700
- https://openalex.org/W2063146660
- https://openalex.org/W2064755408
- https://openalex.org/W2065745205
- https://openalex.org/W2069855783
- https://openalex.org/W2071683156
- https://openalex.org/W2073277085
- https://openalex.org/W2074450439
- https://openalex.org/W2089154372
- https://openalex.org/W2089314864
- https://openalex.org/W2089622237
- https://openalex.org/W2090367153
- https://openalex.org/W2093324216
- https://openalex.org/W2101278258
- https://openalex.org/W2101729952
- https://openalex.org/W2102679108
- https://openalex.org/W2103077855
- https://openalex.org/W2127925628
- https://openalex.org/W2164839855
- https://openalex.org/W2168197077
- https://openalex.org/W2318211679
- https://openalex.org/W2506906248
- https://openalex.org/W4296424065
- https://openalex.org/W4300223101