Longitudinale zeoliet-ijzeroxide nanocomposiet gedeponeerde capaciteitsbiosensor voor interleukine-3 in sepsisdetectie

Abstract

Sepsis is een extreme aandoening waarbij sprake is van een fysieke reactie op een ernstige microbiële infectie en die dodelijke en levensbedreigende problemen veroorzaakt. Sepsis genereert tijdens de afgifte van chemicaliën met het immuunsysteem in de bloedbaan voor de bestrijding van een infectie, die de ontsteking veroorzaakt en leidt tot de medische noodsituatie. Een gecomplexeerd longitudinaal zeoliet en ijzeroxide nanocomposiet werd gewonnen uit kolenmijnvliegas en gebruikt om de oppervlaktekenmerken van de capaciteitsbiosensor te verbeteren om sepsisaanvallen te identificeren. Anti-interleukine-3 (anti-IL-3) antilichaam werd via een aminelinker aan het zeoliet- en ijzeroxide-gecomplexeerde capaciteitselektrode-oppervlak bevestigd om een interactie aan te gaan met de sepsis-biomarker IL-3. De morfologische en chemische componenten van het nanocomplex werden onderzocht met FESEM-, FETEM- en EDX-analyses. Bij ongeveer 30 nm hielpen de longitudinale zeoliet en ijzeroxide nanocomposiet bij het bereiken van de limiet van IL-3-detectie van 3 pg/ml op de lineaire curve, met een regressiecoëfficiënt (R ² ) van 0,9673 [y = 1.638x − 1.1847]. Een lagere detectielimiet werd bereikt in het dosisafhankelijke bereik (3-100 pg/ml) vanwege de hogere hoeveelheid antilichaamimmobilisatie op het detectieoppervlak als gevolg van de nanomaterialen en de verbeterde oppervlaktestroom. Bovendien lieten controle-experimenten met relevante biomoleculen geen capaciteitsveranderingen zien, en spiked IL-3 in menselijk serum verhoogde de capaciteit, wat wijst op de specifieke en selectieve detectie van IL-3. Deze studie identificeert en kwantificeert IL-3 via potentieel bruikbare methoden en helpt bij het diagnosticeren van sepsis-aanvallen.

Inleiding

Sepsis is een dodelijke aandoening die optreedt wanneer het lichaam ernstig reageert op een infectie [1]. Als gevolg van een sepsisaanval produceert het lichaam een hoger niveau van signalerende biomoleculen, 'cytokines' genaamd, die immuuncellen aantrekken. Een toenemend aantal van deze cellen scheiden meer cytokines af, en de cytokinestorm werft meer immuuncellen. In plaats van de initiële infectie onder controle te houden, vallen immuunfactoren lichaamsorganen en weefsels aan. Bovendien veroorzaakt deze infectie een kettingreactie in het hele lichaam en veroorzaakt het orgaanfalen en weefselbeschadiging [2]. Sepsis begint met name in de longen, de huid, de urinewegen en het maagdarmkanaal en verspreidt zich wijd.

naar andere organen, wat leidt tot orgaanschade. Daarom is het noodzakelijk om het proces eerder te stoppen om aanvallen op andere organen te voorkomen. De identificatie van sepsis in een vroeg stadium met een geschikte biomarker helpt om patiënten snel te behandelen en levens te redden. Onderzoekers ontdekten dat de interleukine-3 (IL-3) ontstekingsfactor een onafhankelijke voorspeller is van sepsis-aanval en dood geproduceerd door innate response activator (IRA) B-cellen na activering van de Toll-like receptor. Verder werd gevonden dat een hoger niveau van IL-3 geassocieerd was met een hogere mortaliteit bij sepsispatiënten en bevestigde dat IL-3 een belangrijke rol speelt bij immuunregulatie en hogere reacties op corticosteroïden tijdens sepsis. Dit onderzoek was gericht op het kwantificeren van het niveau van IL-3 met behulp van een zeoliet-ijzeroxide (zeoliet-ijzer) nanocomposiet-gemodificeerde elektrochemische capaciteitssensor.

De detectie van biomoleculen met biosensoren is sterk afhankelijk van de immobilisatie van het doelwit of detectiemolecuul op het oppervlak van de transducerelektrode [3]. Een groter aantal geïmmobiliseerde capture-probes met een juiste oriëntatie leidt tot lagere doeldetectielimieten [4]. In de meeste gevallen is immobilisatie van de capture-probe uitgevoerd door middel van fysieke adsorptie, elektrostatische interactie, covalente koppeling en insluiting van biomoleculen met polymeren [5, 6]. Het kan moeilijk zijn om reproduceerbaarheid en biocompatibiliteit van geïmmobiliseerde biomoleculen te bereiken door de bovenstaande immobilisatiemethoden. Met name de hechting van kleinere vangstmoleculen zoals RNA, DNA, aptameren en peptiden aan detectieoppervlakken is gecompliceerd [7, 8]. Verschillende onderzoekers hebben verschillende technieken gebruikt voor efficiënte immobilisatie. Onlangs zijn nanomaterialen zeer aantrekkelijk voor gebruik in het proces van biomoleculaire immobilisatie op detectieoppervlakken [9,10,11]. Gouden nanodeeltjes zijn efficiënt geïmmobiliseerd op verschillende detectieoppervlakken, zoals polystyreen ELISA-substraten en aluminiumelektroden, en hebben potentiële moleculen gevangen, waaronder antilichamen, eiwitten, DNA en aptameren. Naast silica zijn aluminium en grafeen veelgebruikte materialen voor de immobilisatie van biomoleculen. Deze nanomaterialen verbeteren het aantal vangmoleculen en leveren de biocompatibiliteit en stabiliteit van de biomoleculen op detectieoppervlakken op, wat de detectiestrategie helpt verbeteren. Onlangs hebben anorganische materialen zoals zeoliet, klei en sol-gel de aandacht getrokken van onderzoekers voor het oplossen van deze problemen. Bovendien is de synthese van nanomaterialen door groenere benaderingen sterk aangemoedigd vanwege de grote bijbehorende voordelen, zoals het niet gebruiken van gevaarlijke materialen en het feit dat ze goedkoper zijn [12,13,14,15]. Bovendien kunnen op maat gemaakte benaderingen worden gebruikt om de gewenste afmetingen en vormen van nanomaterialen te bereiken. De huidige studie was in lijn met deze benadering en produceerde een zeoliet-nanomateriaal in combinatie met geïsoleerd ijzer om een nanocomposiet te creëren.

Zeoliet is een kristallijn microporeus aluminosilicaat samengesteld uit TO₄ tetraëders en O-atomen [16]. Het is een veelbelovend materiaal voor biomoleculaire immobilisatie vanwege het grotere oppervlak, het vermogen tot ionenuitwisseling, de controleerbare hydrofobiciteit/hydrofiliciteit en de hoge mechanische en thermische geleidbaarheid. Daarom zijn er verschillende onderzoeken op het gebied van biosensoren opgezet met behulp van zeolietmateriaal voor het biomoleculaire immobilisatieproces en hebben lagere detectielimieten bereikt om biosensoren te ontwikkelen zoals glucosesensoren en ureumsensoren [17,18,19]. Evenzo verbeteren ijzeren nanomaterialen het effect van kationenuitwisselingseigenschappen en geven ze snelle reacties op huidige veranderingen bij interacties met biomoleculen. Het zeoliet-ijzeroxide-nanocomposiet met een unieke samenstelling die in dit onderzoek is gebruikt, verbetert de hoge prestaties van de sensor en zorgt verder voor een verbeterde gevoeligheid door de verbetering van de geleidbaarheid. Deze studie concentreerde zich op zeoliet-ijzer-nanomaterialen gewonnen uit vliegas van kolenmijnen en gebruikten ze als substraten voor capaciteitselektroden om de vangsonde, die anti-IL-3-antilichaam was, te immobiliseren. Vergeleken met eerdere door nanomateriaal gemedieerde detecties van verschillende interleukinen [20,21,22], biedt het huidige detectiesysteem op verschillende manieren verbeteringen. De hogere geschiktheid voor elektrochemische sensoren vereist bijvoorbeeld minder experimentele stappen, en het vertoont geschiktheid voor chemische functionalisering van het oppervlak en een hoog niet-vervuilend vermogen.

Een capacitieve biosensor is een elektrochemische sensor die wordt gecreëerd door de aantrekking te registreren tussen de sonde en het doel dat op het elektrodeoppervlak in wisselwerking staat. Een capacitieve biosensor helpt bij het meten van veranderingen in de diëlektrische laag op het elektrode-interface wanneer een doelbiomolecuul bindt met de geïmmobiliseerde sonde op het detectieoppervlak [23]. De capaciteit tussen de elektrode en de elektrolyt wordt beschreven door C = (2nε ₀ εA )/d , waar ε :diëlektrische constante, A :oppervlakte van de plaat, ε ₀ :permittiviteit van de vrije ruimte, n :aantal repetitieve vingers, en d :isolatielaagdikte [24, 25]. Een niet-faradische capacitieve biosensor helpt eiwitdenaturatie veroorzaakt door metallisatie te voorkomen en verbetert de interactie van doelwit- en probebinding [26, 27]. Verschillende onderzoeken hebben capacitieve biosensoren gebruikt om verschillende doelmoleculen te identificeren, waaronder nucleotiden, zware metalen, eiwitten en organische moleculen [23, 28,29,30,31]. In dit onderzoek werd een niet-faradisch capacitantie-biosensor-experiment uitgevoerd op een zeoliet-ijzer-gemodificeerd elektrode-oppervlak. Zeoliet-ijzer werd aan de capaciteitselektrode bevestigd via (3-aminopropyl)-trimethoxysilaan als een aminelinker, en vervolgens werd anti-IL-3 aan het oppervlak bevestigd door de aantrekking tussen het amine-oppervlak en de carboxylgroep (COOH) van de antilichaam. Een anti-IL-3-antilichaam-gemodificeerde elektrode werd gebruikt om IL-3 te kwantificeren en sepsis-aanval te diagnosticeren.

Materialen en methoden

Apparaten en reagentia

Vliegas werd ontvangen van een thermische centrale in India. Natriumhydroxide en zwavelzuur werden gekocht bij Sigma Aldrich (Missouri, VS). (3-Aminopropyl)-trimethoxysilaan (APTMS) werd ontvangen van Merck (NJ, VS). Whatman-filterpapier werd verkregen van Thermo Fisher Scientific (Massachusetts, VS). IL-3- en anti-IL-3-antilichamen werden ontvangen van Santa Cruz Biotechnology (Texas, VS). Veldemissie scanning elektronenmicroscopie (FESEM; Hitachi, S-4300 SE, Japan) en veldemissie transmissie elektronenmicroscopie (FETEM; JEM-2100F, JEOL, Japan) werden gebruikt om het zeoliet-ijzer nanomateriaal te analyseren met eerder beschreven methoden [ 32].

Synthese van zeoliet-ijzer nanomateriaal

Zeoliet-ijzer nanomaterialen werden gesynthetiseerd met behulp van ijzer, silica en aluminiumoxide gewonnen uit vliegas. De volgende drie hoofdstappen waren betrokken bij deze procedure:(1) scheiding van ijzerdeeltjes; (2) extractie van natriumaluminiumsilicaat; en (3) bereiding van zeoliet-ijzer-nanodeeltjes door de sol-gel-synthesemethode.

Scheiding van ijzer en vliegas

Een hoeveelheid vliegas van 25 g werd gemengd met 500 µL gedestilleerd water en 30 minuten geroerd met behulp van een magnetische roerder. De ijzerdeeltjes die aan de magnetische roerder waren gekleefd, werden gescheiden en vervolgens werd 1 g van de afgescheiden deeltjes gemengd met 25% zwavelzuur en 1 uur bij 50°C geroerd. Vervolgens werden de ijzerbevattende oplossing en de ijzerdeeltjes gescheiden door Whatman-filterpapier en gebruikt als basis voor ijzeroxide om het zeoliet-ijzer-nanomateriaal te synthetiseren.

Extractie van natriumaluminiumsilicaat uit vliegas

De alkalische extractiemethode werd gebruikt om natriumaluminiumsilicaat uit vliegas te extraheren door de alkalische extractiemethode [33]. Eerst werd 25 g ijzergescheiden vliegas gemengd met 500 µL 2 M natriumhydroxide en gedurende 6 uur onder roeren verwarmd tot 100 ° C. Na afkoeling van de oplossing werd natriumaluminiumsilicaat (de oplossing in het mengsel) gescheiden door Whatman-filterpapier. De gefilterde oplossing werd gebruikt als basis om een zeoliet te synthetiseren.

Zeoliet-ijzer nanomateriaal gesynthetiseerd met de Sol-Gel-methode

Het geëxtraheerde ijzer en natriumaluminiumsilicaat werden gebruikt als basis om zeoliet-ijzer-nanomaterialen te synthetiseren met de sol-gel-methode. In de eerste stap werd een beker met 200 ml natriumaluminiumsilicaat bij pH 12 onder roeren op de kookplaat geplaatst. Vervolgens werd de oplossing getitreerd met ijzeroplossing bij pH 1 door druppelsgewijze hoeveelheden ijzeroplossing toe te voegen totdat deze pH 7 bereikte. Bij pH 7 werd een witte gel gevormd en deze gel werd gedurende de nacht continu geroerd om uniform verdeelde zeoliet-ijzernanodeeltjes te verkrijgen. . De volgende dag werd de gel gescheiden door centrifugatie (10.000 xg gedurende 10 min) en vervolgens gewassen met 25% ethanol en gedestilleerd water. Het eindproduct werd gedurende 1 uur bij 100 ° C gedroogd om een poeder te verkrijgen dat bestaat uit zeoliet-ijzer nanomaterialen. Het oppervlak van het zeoliet-ijzer nanomateriaal werd gekarakteriseerd door FETEM en FESEM. Er werd ook een energiedispersieve röntgenanalyse (EDX) uitgevoerd om de elementen in het zeolietijzer te identificeren.

Aminemodificatie van zeoliet-ijzer en functionalisering van het oppervlak van de capaciteitselektrode

Amine werd aangebracht op het oppervlak van het zeoliet-ijzer door het silaankoppelingsmiddel APTMS. Hiervoor werd 1 g zeoliet-ijzer gemengd met 1% KOH gedurende 10 min, en vervolgens werd de overmaat KOH verwijderd door gedestilleerd water. Daarna werd het met KOH behandelde zeoliet-ijzer gemengd met 1% APTMS, en het mengsel werd een nacht op een verwarmde roerder geplaatst. De volgende dag werd het nanomateriaal gewassen met ethanol en gescheiden door centrifugeren (10.000 × g gedurende 10 minuten). Dit APTMS-zeoliet-ijzer werd bevestigd aan het oppervlak van de capaciteitselektrode om IL-3 te identificeren. Voor deze immobilisatie werd APTMS-zeoliet-ijzer op de gehydroxyleerde elektrode gedruppeld en gedurende 3 uur op kamertemperatuur gehouden. De binding tussen het zeoliet-ijzeroxide nanocomposiet, APTMS en het sensoroppervlak was te wijten aan silaankoppeling met de gegenereerde oxidegroepen. In het algemeen vindt silaankoppeling plaats met meerdere armen die beschikbaar zijn voor de oxidegroepen, wat leidt tot koppelingen tussen het zeoliet-ijzeroxide nanocomposiet, APTMS en het detectieoppervlak. Door deze meervoudige koppelingen wordt een ruimtelijke ordening op het detectieoppervlak gevormd. Na het wassen van het oppervlak met ethanol gevolgd door water, werd een anti-IL-3 antilichaamimmobilisatieproces uitgevoerd om een interactie aan te gaan met IL-3.

Bepaling van IL-3 op het anti-IL-3-gemodificeerde capaciteitselektrode-oppervlak

Het hierboven beschreven oppervlak werd gevormd door aminebinding, wat reactie met beschikbare COOH-groepen mogelijk maakt wanneer het antilichaam hecht. IL-3 werd geïdentificeerd op een anti-IL-3 geïmmobiliseerd capacitief elektrode-oppervlak. Hiervoor werd IL-3 met 100 pg/ml verdund in PBS-buffer en op een met antilichaam gemodificeerd elektrode-oppervlak gedruppeld. Na immobilisatie van het antilichaam werd het resterende ongebonden oppervlak geblokkeerd door PEG-COOH (1 mg/ml). Een soortgelijke reactie op antilichaam-APTMS treedt op wanneer PEG-COOH is bevestigd. De capaciteitswaarde werd geregistreerd voor en na interactie met IL-3. Verschillen in waarde werden overwogen voor de binding van IL-3 met zijn antilichaam. Om de detectielimiet te berekenen, werd IL-3 bovendien getitreerd van 3 tot 50 pg/ml en onafhankelijk op de met antilichaam gemodificeerde oppervlakken gedruppeld. De andere experimentele procedure werd uitgevoerd zoals eerder beschreven. Het verschil in capaciteitswaarde voor elke IL-3-concentratie werd berekend en uitgezet om de detectie van IL-3 door de R² te berekenen waarde. Wanneer IL-3 aan het met antilichaam geïmmobiliseerde oppervlak wordt gehecht, zal er een echte interactie zijn.

Biofouling en selectieve bepaling van IL-3 op het zeoliet-ijzer-gemodificeerde capaciteitselektrode-oppervlak

Een biofouling-experiment werd uitgevoerd onder drie verschillende biomolecuulomstandigheden, waaronder de aanwezigheid van een niet-immuun antilichaam of een controle-eiwit en de afwezigheid van IL-3-antilichaam. In het eerste geval werd in plaats van IL-3 antilichaam een niet-immuun antilichaam gebruikt; in het tweede experiment werd in plaats van IL-3 een controle-eiwit gebruikt; en het laatste experiment werd uitgevoerd zonder IL-3-antilichaam. De capaciteitswaarden werden vergeleken voor de specifieke interactie van IL-3-antilichaam met IL-3. Een selectief experiment werd uitgevoerd door IL-3 toe te voegen aan een 1:100 verdunning van humaan serum en dit druppelsgewijs toe te voegen aan een anti-IL-3-gemodificeerd elektrode-oppervlak. De veranderingen in capaciteit werden geregistreerd voor elke IL-3-concentratie om de selectieve identificatie van IL-3 te identificeren. De reproduceerbaarheid werd bevestigd door de experimenten drie keer (in drievoud) te herhalen met vergelijkbare apparaten gemaakt van dezelfde batchfabricage. De levenslange opslag en stabiliteit van het met de sonde geïmmobiliseerde oppervlak werden ook bepaald.

Resultaten en discussie

Sepsis is de aandoening waarbij veel chemicaliën vrijkomen in het immuunsysteem, en veroorzaakt een wijdverbreide ontsteking met de uiteindelijke schade aan de organen. Figuur 1a toont een schematische illustratie van IL-3-identificatie op een anti-IL-3-gemodificeerd capacitief elektrode-oppervlak voor het bepalen van de aandoening geassocieerd met sepsis. APTMS-gemodificeerd zeoliet-ijzer werd gebruikt om het vangantilichaam aan het oppervlak van de sensorelektrode te hechten. APTMS op het oppervlak van het zeoliet-ijzer werd geïmmobiliseerd op het elektrode-oppervlak door de interactie tussen amine op het nanomateriaal en OH-groepen op het elektrode-oppervlak. Figuur 1b bevestigt de intactheid van de oppervlakte-elektrode op de capaciteitssensor, zoals vastgelegd onder een krachtige microscoop. Het antilichaam werd via COOH en het amine van het zeoliet-ijzer aan het oppervlak gekoppeld. Zeoliet-ijzer helpt om een groter aantal APTMS op de detectie-elektrode te bevestigen, wat helpt om meer antilichamen op het oppervlak van de capaciteitselektrode te vangen. Verschillende onderzoeken hebben aangetoond dat immobilisatie van de capture-probe op het detectieoppervlak een cruciale rol speelt bij het verlagen van de detectielimiet van het doelwitmolecuul. In dit onderzoek werd het zeoliet-ijzer nanomateriaal gebruikt om anti-IL-3 antilichaam aan het oppervlak van de sensorelektrode te hechten. Hogere immobilisatie van anti-IL-3-antilichaam met de juiste oriëntatie helpt de lagere detectielimieten van IL-3 te bereiken.

een Schematische illustratie van IL-3-identificatie op een anti-IL-3-gemodificeerd capaciteitsdetectieoppervlak. APTMS-gemodificeerd zeoliet-ijzer werd gebruikt om het invangantilichaam te hechten en ging vervolgens in wisselwerking met IL-3. PEG-COOH werd gebruikt als blokkeringsmiddel. b Morfologische analyse van het capaciteitsdetectieoppervlak door krachtige microscopie. c Morfologische analyse van zeoliet-ijzer door FESEM. Nanomaterialen werden gevormd met een uniforme verdeling en in de lengterichting. d EDX-analyse. De aanwezigheid van de hoofdelementen Si, Al, Fe en O werd gevonden. De inzet van de figuur werd verkregen door FESEM met een lage vergroting

Morfologische analyse van zeoliet-ijzer nanomateriaal door FESEM en FETEM

Figuur 1c, d (inzet) toont het morfologische beeld van het zeoliet-ijzer nanomateriaal verkregen uit FESEM bij verschillende vergrotingen en de EDX-elementanalyse. Het verkregen zeoliet-ijzer nanomateriaal was glad en gelijkmatig verdeeld, met een dicht op elkaar gestapelde longitudinale nanostructuur. De grootte van deze nanostructuur was ~ 30 nm, en het verkregen beeld laat zien dat het nanocomposiet was gerangschikt met uniforme vormen en goed verdeeld op de juiste afstand. Het FETEM-beeld bleek ook een vorm te hebben die vergelijkbaar was met die verkregen door FESEM voor de gevormde zeoliet-ijzer nanocomposieten (Fig. 2a, b). Het EDX-resultaat bevestigde de aanwezigheid van Fe, Al, Si en O in het gesynthetiseerde zeoliet-ijzer nanocomposiet (Fig. 2c, d). De belangrijkste elementaire atoompercentages van Si, Al, Fe en O bleken respectievelijk 3,46, 0,78, 2,13 en 24,39% te zijn. Dit FESEM- en EDX-resultaat bevestigt de vorming van zeoliet-ijzer nanomaterialen.

FETEM-afbeeldingen van zeoliet-ijzer aan de a 50 nm schaal en b 200 nm schaal. Het nanomateriaal werd gevormd met een uniforme verdeling. c EDX-analyse bevestigt de aanwezigheid van de belangrijkste elementen Si, Al, Fe, C en O

Voorbereiding van de detectie-elektrode voor IL-3-bepaling

Anti-IL-3-antilichaamimmobilisatie op de capaciteitsbiosensor werd bevestigd door het niveau van capaciteit na elke biomoleculaire immobilisatie te veranderen. Figuur 3a toont de capaciteitsveranderingen tijdens het proces van antilichaambevestiging aan het zeoliet-ijzer-gemodificeerde oppervlak. Zoals weergegeven in figuur 3a, vertoont het KOH-gebonden capaciteitselektrode-oppervlak een capaciteitswaarde van 1,74 × 10⁰⁹ nF, en na druppelsgewijze toevoeging van het APTMS-zeoliet-ijzer, werd het verhoogd tot 2,02 × 10⁰⁹ nF. Deze toename in capaciteit bevestigde de bevestiging van de nanomaterialen aan de detectie-elektrode. Bovendien nam de capaciteitswaarde na toevoeging van anti-IL-3-antilichaam drastisch toe tot 3,42 × 10⁰⁹ nF. Deze hogere toename werd opgemerkt vanwege de grotere hoeveelheid antilichaamimmobilisatie op het APTMS-gemodificeerde zeoliet-ijzer. Bovendien vertoonden de nanomaterialen een goede opstelling met een hoger aantal APTMS op het oppervlak van de sensorelektrode, waardoor uiteindelijk meer antilichamen werden aangetrokken. Ten slotte werd PEG-COOH toegevoegd voor blokkeringsdoeleinden en bleek de capaciteit te stijgen tot 3,64 × 10⁰⁹ nF. De sensor werkt op basis van veranderingen in oppervlaktelading en uiteindelijk veranderingen in capaciteit. De veranderingen in de oppervlaktelading variëren met moleculaire aanhechtingen/interacties. Elk molecuul draagt verschillende ladingen en beïnvloedt de capaciteit van de sensor. Daarom werd voor de metingen rekening gehouden met het verschil in capaciteit. Hogere veranderingen in capaciteit werden opgemerkt vanwege de hogere bezetting van IL-3-antilichamen op het oppervlak van de detectie-elektrode (figuur 3b). PEG-COOH helpt de niet-specifieke binding van IL-3 op het detectie-elektrodeoppervlak te verminderen en elimineert fout-positieve resultaten. Verschillende onderzoeken hebben aangetoond dat PEG-gebaseerde polymeren op detectieoppervlakken de biocompatibiliteit verbeteren, de signaal-ruisverhouding verminderen en zorgen voor een juiste oriëntatie van geïmmobiliseerde biomoleculen op detectieoppervlakken, wat leidt tot een lagere detectielimiet van de sensor [34,35, 36,37]. Omdat het APTMS-oppervlak andere biomoleculen elektrostatisch aantrekt, werd PEG-COOH gebruikt om het overtollige APTMS-oppervlak op het zeoliet-ijzer nanomateriaal te bedekken, wat biofouling helpt verminderen. Dit anti-IL-3 gemodificeerde oppervlak werd gebruikt om IL-3 te identificeren.

een Proces van antilichaambevestiging aan het zeoliet-ijzer-gemodificeerde oppervlak. capaciteitswaarden namen toe na elke moleculaire immobilisatie. b Verschil in capaciteit. Anti-IL-3 antilichaamimmobilisatie toonde een hogere verandering in de capaciteitswaarde. De waarden werden gemiddeld met behulp van drie aflezingen in triplo. [Zeoliet-IO—Zeoliet-ijzeroxide]

Bepaling en kwantificering van IL-3 op het anti-IL-3-antilichaamoppervlak

IL-3 werd gekwantificeerd op een anti-IL-3-gemodificeerd capacitief elektrode-detectieoppervlak. Aanvankelijk werd een hogere concentratie IL-3 (100 pg/ml) getest op het met antilichaam gemodificeerde oppervlak, en de capaciteitswaarde nam toe van 3,74 × 10¹⁰ nF tot 13 × 10¹⁰ nF. Deze toename bevestigt de interactie van IL-3 met anti-IL-3-antilichaam (figuur 4a). Een soortgelijk experiment werd uitgevoerd met IL-3-concentraties van 3 tot 50 pg/ml. Zoals weergegeven in Fig. 4b, namen de capaciteitswaarden toe tot 4,56 × 10¹⁰ nF, 5.84 × 10¹⁰ nF, 6.64 × 10¹⁰ nF, 8.39 × 10¹⁰ nF, en 12 × 10¹⁰ nF. Er werd opgemerkt dat met toenemende concentraties van Il-3 de capaciteitswaarden geleidelijk toenamen (figuur 5a). Het verschil in de capaciteitswaarden werd berekend en uitgezet in een Excel-blad en de detectie van IL-3 werd berekend als 3 pg / ml met een R2-waarde van 0,9673 (figuur 5b). Een lineaire dosisafhankelijke respons met verschillende concentraties van IL-3 (3-100 pg/ml) werd gevonden bij interactie met anti-IL-3. Bij titratie bij verdere concentraties waren de monsters echter verzadigd.

Bepaling van IL-3 op het anti-IL-3-gemodificeerde oppervlak. een Identificatie van 100 pg/ml IL-3. Duidelijke veranderingen in capaciteit werden opgemerkt na druppelsgewijze toevoeging van IL-3. De inzet van de figuur geeft het schema weer. b Titratie van verschillende IL-3-concentraties op anti-IL-3-antilichaam. Met alle concentraties van IL-3 werden capaciteitsveranderingen opgemerkt

een Capaciteitswaarde voor elke IL-3-concentratie. Het verhogen van de IL-3-concentratie produceerde een geleidelijke toename van de capaciteitswaarde. b Verschil in de capaciteitswaarde voor elke IL-3-concentratie. De waarden werden uitgezet in een Excel-blad en de detectielimiet van IL-3 werd berekend als 3 pg/ml. De waarden werden gemiddeld met behulp van drie metingen in drievoud

Biofouling/non-fouling op de APTES-zeoliet-ijzer-gemodificeerde capaciteitselektrode

Biofouling is het grootste probleem bij elke soort biosensor, wat leidt tot fout-positieve identificatie van het doelwit op het detectieoppervlak. Blokkerende middelen zoals BSA, ethanolamine en op PEG gebaseerde polymeren zijn veelvoorkomende moleculen die biofouling op sensoroppervlakken verminderen. Hierin werd PEG-COOH gebruikt als het blokkerende middel en het biofouling-effect werd bevestigd in drie verschillende controle-experimenten, namelijk zonder IL-3-antilichaam, met een niet-immuun antilichaam en met een controle-eiwit (IL-8). Zoals te zien is in figuur 6a, slaagden alle drie de controle-experimenten er niet in om de capaciteitswaarde te verbeteren, wat de specifieke identificatie van IL-3 aangeeft zonder enige biofouling.

een Specifieke detectie van IL-3. Controlemoleculen vertoonden geen toename in capaciteitswaarde, wat wijst op de specifieke detectie van IL-3. b Spiking van IL-3 in menselijk serum. Spiking in menselijk serum verhoogde de capaciteit met toenemende IL-3-concentraties. Dit resultaat bevestigt de selectieve detectie van IL-3. De waarden werden gemiddeld met behulp van drie metingen in drievoud

Spiking van IL-3 in menselijk serum en stabiliteit

Verschillende concentraties van IL-3 werden toegevoegd aan menselijk serum en onderworpen aan dezelfde experimentele procedure om IL-3 in levensechte situaties te identificeren. Zoals weergegeven in figuur 6b, produceerde verrijkt IL-3 in menselijk serum duidelijk verhoogde capaciteitswaarden met verhoogde concentraties van IL-3. Dit resultaat bevestigt selectieve IL-3-identificatie door de anti-IL-3-gemodificeerde capaciteitselektrode.

Gezien de reproduceerbaarheid gedraagt het detectieoppervlak zich goed, met minimale foutwaarden. De operationele levensduur van het gefabriceerde, aan het oppervlak bevestigde nanomateriaal kan met drie maanden worden verlengd als het op de juiste manier in een exsiccator wordt bewaard. Na het bevestigen van de sonde was het oppervlak echter 2 weken stabiel en had het de neiging om 19% van de stabiliteit te verliezen, en het verlies aan stabiliteit werd steil vanaf de 3e week. Om de hoge prestaties van de huidige sensor te bewijzen, is een vergelijkend onderzoek uitgevoerd met de momenteel beschikbare sensoren, en de resultaten geven aan dat deze vergelijkbaar is en zich in verschillende gevallen beter gedraagt (Tabel 1).

Conclusie

Sepsis is levensbedreigend, brengt een overweldigende immuunreactie met zich mee, is extreem gevaarlijk en treft het hele lichaam. Deze studie toonde de identificatie aan van een sepsis-biomarker (IL-3) op een capaciteitselektrode. Zeoliet-ijzer-nanomateriaal werd geëxtraheerd uit een met kolenvlieg gemodificeerde capaciteitselektrode om de stroom te vergroten bij binding van biomoleculen aan de detectie-elektrode. Aminemodificatie werd uitgevoerd om anti-IL-3-antilichaam aan het zeolietijzer te hechten. IL-3-detectie werd uitgevoerd op een met antilichaam gemodificeerde elektrode en bereikte de detectielimiet van IL-3 tot 3 pg/ml. Verdere controle-experimenten lieten geen toename van de capaciteitswaarde zien, wat de specifieke detectie van IL-3 bevestigde, en selectieve experimenten met verrijkt IL-3 in menselijk serum vertoonden een duidelijke toename van de capaciteit. Deze experimentele methode kwantificeert IL-3-niveaus en helpt bij het diagnosticeren van sepsis-aanvallen.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

Alle gegevens zijn onbeperkt beschikbaar.

Afkortingen

IL-3:: Interleukine-3
pg:: Picogram
mL:: Milliliter
µL:: Microliter
M:: Kies
FESEM:: Veldemissie transmissie-elektronenmicroscoop
FETEM:: Veldemissie scanning elektronenmicroscoop
EDX:: Energie-dispersieve röntgenstraling
IRA:: Aangeboren responsactivator
COOH:: Carboxyl
DNA:: Deoxyribose nucleïnezuur
RNA:: Ribose nucleïnezuur
ELISA:: Enzym-linked immunosorbent assay
APTMS:: (3-Aminopropyl)-trimethoxysilaan
KOH:: Kaliumhydroxide
PEG:: Polyethyleenglycol

Effecten van anisotropie en in-plane korrelgrens in Cu/Pd meerlagige films met Cube-on-Cube en Twinned Interface Potentiële osteo-inductieve effecten van hydroxyapatiet-nanodeeltjes op mesenchymale stamcellen door interactie met endotheelcellen

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal