Geavanceerde zeoliet-ijzeroxide nanocomposiet capacitieve biosensor voor snelle IL-3 sepsis detectie

Samenvatting

Sepsis is een extreme toestand die een fysieke reactie op een ernstige microbiele infectie betreft en dodelijke en levensbedreigende problemen veroorzaakt. Sepsis ontstaat tijdens de afgifte van chemicaliën met het immuunsysteem in de bloedstroom om te vechten tegen een infectie, wat ontsteking veroorzaakt en leidt tot een medische noodsituatie. Een gecomplexeerd longitudinaal zeoliet- en ijzeroxide-nanocomposiet werd geëxtraheerd uit vliegas van een kolenmijn en gebruikt om de oppervlaktekenmerken van de capacitieve biosensor te verbeteren voor de identificatie van sepsis-aanvallen. Anti-interleukine-3 (anti-IL-3) antilichaam werd gehecht aan het zeoliet- en ijzeroxide-gecomplexeerde capacitieve elektrodooppervlak via een aminelinker om te interageren met de sepsis-biomarker IL-3. De morfologische en chemische componenten van het nancomplex werden onderzocht met FESEM, FETEM en EDX-analyses. Op ongeveer 30 nm hielp het longitudinale zeoliet- en ijzeroxide-nanocomposiet bij het bereiken van een detectielimiet van IL-3 van 3 pg/mL op de lineaire curve, met een regressiecoëfficiënt (R²) van 0,9673 [y = 1,638x − 1,1847]. Een lagere detectielimiet werd bereikt in het dosis-afhankelijke bereik (3–100 pg/mL) door de hogere hoeveelheid antilichaam-immobilisatie op het senserend oppervlak door de nanomaterialen en de verbeterde oppervlactestroom. Bovendien toonden controle-experimenten met relevante biomoleculen geen capaciteitsveranderingen, en verhoogde gespikte IL-3 in menselijk serum de capaciteit, wat de specifieke en selectieve detectie van IL-3 aangeeft. Deze studie identificeert en kwantificeert IL-3 via potentiële nuttige methoden en helpt bij het diagnosticeren van sepsis-aanvallen.

Inleiding

Sepsis is een dodelijke toestand die optreedt wanneer het lichaam ernstig reageert op een infectie. Vanwege een sepsis-aanval produceert het lichaam een hogere hoeveelheid signalerende biomoleculen genaamd 'cytokines', die immuuncellen aantrekken. Toenemende aantallen van deze cellen scheiden meer cytokines af, en de cytocine-storm werveert meer immuuncellen. In plaats van de initiële infectie te controleren, vallen immuunfactoren de lichaamsorganen en -weefsels aan. Bovendien ontketent deze infectie een kettingreactie in het hele lichaam en veroorzaakt orgaanfalen en weefselschade. In het bijzonder begint sepsis in de longen, huid, urinewegen en gastro-intestinale tract en verspreidt zich wijd naar andere organen, wat leidt tot orgaanschade. Het is daarom noodzakelijk om het proces eerder te stoppen om aanvallen op andere organen te voorkomen. Sepsis-identificatie in de vroege stadia met een geschikte biomarker helpt bij het bieden van snelle behandeling aan patiënten en het redden van levens. Onderzoekers vonden dat de interleukine-3 (IL-3) inflammatoire factor een onafhankelijke voorspeller is van sepsis-aanval en dood geproduceerd door innate response activator (IRA) B-cellen na Toll-achtige receptoractivatie. Verder werd gevonden dat een hoger niveau van IL-3 geassocieerd was met een hogere sterftesnelheid bij sepsis-patiënten en bevestigd dat IL-3 een grote rol speelt in immuunregulatie en hogere reacties op corticosteroïden tijdens sepsis. Dit onderzoek had tot doel het niveau van IL-3 te kwantificeren met behulp van een zeoliet-ijzeroxide (zeoliet-ijzer) nanocomposiet-gewijzigde capacitieve electrochemische sensor.

De detectie van biomoleculen met biosensors is sterk afhankelijk van de immobilisatie van het doel- of detectiemolecuul op de transducer-elektrodo-oppervlak. Een hoger aantal geïmmobiliseerde vang-sonden met een juiste oriëntatie leidt tot lagere doeldetectielimieten. In de meeste gevallen is de vang-sond-immobilisatie uitgevoerd door fysische adsorptie, electrostatische interactie, covalente koppeling en biomolecuul-opsluiting met polymeren. Het kan moeilijk zijn om reproduceerbaarheid en biocompatibiliteit van geïmmobiliseerde biomoleculen te bereiken met de bovenstaande immobilisatiemethoden. In het bijzonder is de hechting van kleinere vang-moleculen zoals RNA, DNA, aptamers en peptiden aan senserende oppervlakken gecompliceerd. Verschillende onderzoekers hebben verschillende technieken gebruikt voor efficiënte immobilisatie. Recentelijk zijn nanomaterialen zeer aantrekkelijk voor gebruik in het proces van biomoleculaire immobilisatie op senserende oppervlakken. Goudnanodeeltjes zijn efficiënt geïmmobiliseerd op diverse senserende oppervlakken, zoals polystyreen ELISA-substraten en aluminium-elektroden, en hebben potentiële moleculen gevangen, waaronder antilichamen, eiwritten, DNA en aptamers. Naast silica, aluminium en grafeen zijn veelgebruikte materialen voor de immobilisatie van biomoleculen. Deze nanomaterialen verbeteren het aantal vang-moleculen en leveren de biocompatibiliteit en stabiliteit van de biomoleculen op senserende oppervlakken, wat helpt de detectiestrategie te verbeteren. Recentelijk hebben anorganische materialen zoals zeoliet, klei en sol-gel de aandacht van onderzoekers getrokken om deze problemen op te lossen. Bovendien is de synthese van nanomaterialen door groenere benaderingen sterk aangemoedigd vanwege de grote geassocieerde voordelen, zoals het niet betrekken van gevaarlijke materialen en minder duur. Verder kunnen op maat gemaakte benaderingen worden gebruikt om gewenste groottes en vormen van nanomaterialen te bereiken. De huidige studie was in lijn met deze benadering en produceerde een zeoliet-nanomateriaal gecombineerd met geïsoleerd ijzer om een nanocomposiet te creëren.

Zeoliet is een kristallijn microporeus aluminosilicaat samengesteld uit TO₄-tetraëders en O-atomen. Het is een veelbelovend materiaal voor biomoleculaire immobilisatie vanwege de grotere oppervlakte, capaciteit voor ionenuitwisseling, controleerbare hydrofobiciteit/hydrofiliciteit, en hoge mechanische en thermische geleiding. Daarom zijn diverse studies in het biosensorveld gevestigd met zeolietmateriaal voor het biomoleculaire immobilisatieproces en bereikten lagere detectielimieten om biosensors te ontwikkelen zoals glucosesensors en ureum-sensors. Op dezelfde manier verbeteren ijzernanomaterialen het effect van kationuitwisselings-eigenschappen en geven snelle reacties op stroomveranderingen bij interacties met biomoleculen. Het zeoliet-ijzeroxide-nanocomposiet met een unieke samenstelling dat in deze studie wordt gebruikt, verbetert de hoge prestaties van de sensor, verder verbeterde gevoeligheid door de verbetering in geleiding. Deze studie richtte zich op zeoliet-ijzer-nanomaterialen geëxtraheerd uit vliegas van een kolenmijn en gebruikte ze als substraat voor capacitieve elektroden om de vang-sond te immobiliseren, namelijk anti-IL-3 antilichaam. Vergeleken met eerdere nanomateriaal-gemedieerde detecties van verschillende interleukines, biedt het huidige senseringssysteem verbeteringen op verschillende manieren. Bijvoorbeeld, de hogere geschiktheid voor electrochemische sensoren vereist minder experimentele stappen, en het toont geschiktheid voor oppervlaktechemische functionalisatie en een hoge non-fouling capaciteit.

Een capacitieve biosensor is een electrochemische sensor gecreëerd door de registratie van de aantrekking tussen de sond en het doel die interageren op het elektrodo-oppervlak. Een capacitieve biosensor helpt bij het meten van veranderingen in de dielectrische laag aan de elektrodo-interface wanneer een doelbiomolecuul bindt met de geïmmobiliseerde sond op het senserende oppervlak. De capaciteit tussen de elektrodo en het elektrolyt wordt beschreven door C = (2nε₀εA)/d, waar ε: dielectrische constante, A: oppervlakte van de plaat, ε₀: permittiviteit van de vrije ruimte, n: aantal herhalende vingers, en d: isolerende laagdikte. Een niet-faradische capacitieve biosensor helpt om eiwitdenaturering te vermijden veroorzaakt door metallisatie en verbetert de interactie van doel- en sond-binding. Verschillende studies hebben capacitieve biosensors gebruikt om diverse doelmoleculen te identificeren, waaronder nucleotiden, zware metalen, eiwritten en organische moleculen. In dit onderzoek werd een niet-faradische capacitieve biosensorexperiment uitgevoerd op een zeoliet-ijzer-gewijzigd elektrodo-oppervlak. Zeoliet-ijzer werd gehecht aan de capacitieve elektrodo via (3-aminopropyl)-trimethoxysilane als aminelinker, en vervolgens werd anti-IL-3 gehecht aan het oppervlak via de aantrekking tussen het amine-oppervlak en de carboxylique (COOH) groep van het antilichaam. Een anti-IL-3 antilichaam-gewijzigde elektrode werd gebruikt om IL-3 te kwantificeren en sepsis-aanvallen te diagnosticeren.

Materialen en methoden

Apparatuur en reagentia

Vliegas werd ontvangen van een thermische elektriciteitscentrale in India. Natriumhydroxide en zwavelzuur werden gekocht van Sigma Aldrich (Missouri, VS). (3-Aminopropyl)-trimethoxysilane (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 veldeemissie transmissie-elektronenmicroscopie (FETEM; JEM-2100F, JEOL, Japan) werden gebruikt om het zeoliet-ijzer-nanomateriaal te analyseren met methoden zoals eerder beschreven.

Synthese van zeoliet-ijzer-nanomateriaal

Zeoliet-ijzer-nanomaterialen werden gesynthetiseerd met behulp van ijzer, silica en alumina geëxtraheerd uit vliegas. De volgende drie belangrijke stappen waren betrokken in deze procedure: (1) scheiding van ijzerdeeltjes; (2) extractie van natriumaluminosilicaat; en (3) bereiding van zeoliet-ijzer-nanodeeltjes door de sol-gel-synthese methode.

Scheiding van ijzer uit vliegas

Een 25 g aliqout vliegas werd gemengd met 500 μL gedestilleerd water en 30 min gerord met een magnetische roerstab. De ijzerdeeltjes die aan de magnetische roerstab bleven hangen, werden gescheiden, en vervolgens werd 1 g van de gescheiden deeltjes gemengd met 25% zwavelzuur en 1 uur gerord bij 50 °C. 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 natriumaluminosilicaat uit vliegas

De alkalische extractiemethode werd gebruikt om natriumaluminosilicaat uit vliegas te extraheren door de alkalische extractiemethode. Eerst werd 25 g ijzer-gescheiden vliegas gemengd met 500 μL 2 M natriumhydroxide en verhit tot 100 °C met roeren gedurende 6 uur. Na afkoeling van de oplossing werd natriumaluminosilicaat (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 door de sol-gel-methode

De geëxtraheerde ijzer en natriumaluminosilicaat werden als basis gebruikt om zeoliet-ijzer-nanomaterialen te synthetiseren door de sol-gel-methode. In de eerste stap werd een bekerglas met 200 mL natriumaluminosilicaat bij pH 12 op een warmteplaat geplaatst onder roeren. Vervolgens werd de oplossing getitreerd met ijzeroplossing bij pH 1 door druppelgewijs toe te voegen van ijzeroplossing tot pH 7 bereikt was. Bij pH 7 werd een wit gel gevormd, en dit gel werd de hele nacht doorgeroerd om uniform verdeelde zeoliet-ijzer-nanodeeltjes te verkrijgen. De volgende dag werd het gel gescheiden door centrifugatie (10.000×g gedurende 10 min) en daarna gewassen met 25% ethanol en gedestilleerd water. Het eindproduct werd gedroogd bij 100 °C gedurende 1 uur om een poeder te verkrijgen bestaande uit zeoliet-ijzer-nanomaterialen. Het oppervlak van het zeoliet-ijzer-nanomateriaal werd gekarakteriseerd door FETEM en FESEM. Energiedispersieve röntgen (EDX) analyse werd ook uitgevoerd om de elementen in het zeoliet-ijzer te identificeren.

Amine-modificatie van zeoliet-ijzer en functionalisering van het capacitieve elektrodo-oppervlak

Amine werd op het oppervlak van het zeoliet-ijzer gecoat door het silaankoppelingsmiddel APTMS. Hiervoor werd 1 g zeoliet-ijzer gemengd met 1% KOH gedurende 10 min, en vervolgens werd de overtollige KOH verwijderd met gedestilleerd water. Daarna werd de KOH-behandelde zeoliet-ijzer gemengd met 1% APTMS, en het mengsel werd op een verwarmde roerstab overnachten geplaatst. De volgende dag werd het nanomateriaal gewassen met ethanol en gescheiden door centrifugatie (10.000×g gedurende 10 min). Deze APTMS-zeoliet-ijzer werd gehecht aan het capacitieve elektrodo-oppervlak om IL-3 te identificeren. Voor deze immobilisatie werd APTMS-zeoliet-ijzer op de gehydroxyleerde elektrodo gedropt en 3 uur bij kamertemperatuur bewaard. De binding tussen het zeoliet-ijzeroxide-nanocomposiet, APTMS en senserend oppervlak was te wijten aan silaankoppeling met de gegenereerde oxidegroepen. In het algemeen treedt silaankoppeling op met meerdere armen beschikbaar voor de oxidegroepen, wat koppelingen oplevert tussen het zeoliet-ijzeroxide-nanocomposiet, APTMS en senserend oppervlak. Vanwege deze meerdere koppelingen wordt een ruimtelijke rangschikking op het senserend oppervlak gevormd. Na wassen van het oppervlak met ethanol gevolgd door water, werd een anti-IL-3 antilichaam-immobilisatieproces uitgevoerd om te interageren met IL-3.

Bepaling van IL-3 op het anti-IL-3-gewijzigde capacitieve elektrodo-oppervlak

Het bovenstaande oppervlak werd gevormd door amine-tethering, wat reactie toestaat met beschikbare COOH-groepen wanneer het antilichaam hecht. IL-3 werd geïdentificeerd op een anti-IL-3 geïmmobiliseerd capacitieve elektrodo-oppervlak. Hiervoor werd IL-3 bij 100 pg/mL gedilueerd in PBS-buffer en op een antilichaam-gewijzigd elektrodo-oppervlak gedropt. Na antilichaam-immobilisatie werd het overige ongebonden oppervlak geblokkeerd door PEG-COOH (1 mg/ml). Een vergelijkbare reactie als antilichaam-APTMS treedt op wanneer PEG-COOH wordt gehecht. De capaciteitswaarde werd vastgelegd voor en na interactie met IL-3. Verschillen in waarde werden overwogen voor de binding van IL-3 met zijn antilichaam. Verder, om de detectielimiet te berekenen, werd IL-3 getitreerd van 3 tot 50 pg/mL en apart op de antilichaam-gewijzigde oppervlakken gedropt. De overige experimentele procedure werd uitgevoerd zoals eerder beschreven. Het verschil in capaciteitswaarde voor elke IL-3-concentratie werd berekend en geplottet om de detectie van IL-3 te berekenen door de R²-waarde. Wanneer IL-3 hecht aan het antilichaam-geïmmobiliseerde oppervlak, zal er een echte interactie zijn.

Biofouling en selectieve bepaling van IL-3 op het zeoliet-ijzer gewijzigde capacitieve elektrodo-oppervlak

Een biofouling-experiment werd uitgevoerd onder drie verschillende biomolecuulcondities, 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 te spiken in een 1:100 verdunning van menselijk serum en druppelgewijs toe te voegen aan een anti-IL-3-gewijzigd elektrodo-oppervlak. De veranderingen in capaciteit werden vastgelegd voor elke IL-3-concentratie om de selectieve identificatie van IL-3 te identificeren. Reproduceerbaarheid werd bevestigd door de experimenten drie keer (in drievoud) te herhalen met vergelijkbare apparaten gemaakt van dezelfde batch-fabricatie. De levensduur opslag en stabiliteit van de sond-geïmmobiliseerde oppervlakte werden ook bepaald.

Resultaten en discussie

Sepsis is de toestand met veel chemicaliën vrijgegeven in het immuunsysteem, en ontketent een wijdverspreide ontsteking met de uiteindelijke schade van de organen. Figuur 1a toont een schematische illustratie van IL-3-identificatie op een anti-IL-3-gewijzigd capacitieve elektrodo-oppervlak voor het bepalen van de toestand geassocieerd met sepsis. APTMS-gewijzigde zeoliet-ijzer werd gebruikt om de vang-antilichaam aan het senserende elektrodo-oppervlak te hechten. APTMS op het oppervlak van de zeoliet-ijzer werd geïmmobiliseerd op het elektrodo-oppervlak door de interactie tussen amine op het nanomateriaal en OH-groepen op het elektrodo-oppervlak. Figuur 1b bevestigt de intactheid van het oppervlak-elektrode op de capacitieve sensor, zoals vastgelegd onder een hoog-vermogenmicroscoop. Het antilichaam was gekoppeld aan het oppervlak via COOH en de amine van de zeoliet-ijzer. Zeoliet-ijzer helpt om een hoger aantal APTMS op het senserende elektrodo te hechten, wat helpt om meer antilichamen op het capacitieve elektrodo-oppervlak te vangen. Verschillende studies hebben aangegeven dat vang-sond-immobilisatie op het senserende oppervlak een cruciale rol speelt in het verlagen van de detectielimiet van het doelmolecuul. In dit onderzoek werd het zeoliet-ijzer-nanomateriaal gebruikt om anti-IL-3 antilichaam aan het senserende elektrodo-oppervlak te hechten. Hogere immobilisatie van anti-IL-3 antilichaam met juiste oriëntatie helpt bij het bereiken van lagere detectielimieten van IL-3.

Morfologische analyse van zeoliet-ijzer-nanomateriaal door FESEM en FETEM

Figuur 1c, d (inset) toont het morfologische beeld van het zeoliet-ijzer-nanomateriaal verkregen uit FESEM bij verschillende vergrotingen en de EDX-elementaire analyse. Het verkregen zeoliet-ijzer-nanomateriaal was glad en uniform verdeeld, met een dicht gestapelde longitudinale nanostructuur. De grootte van deze nanostructuur was ~30 nm, en het verkregen beeld toont dat het nanocomposiet was gerangschikt met uniforme vormen en goed verdeeld op de juiste afstand. Het FETEM-beeld bevestigde ook een vorm vergelijkbaar 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 atomaire percentages van Si, Al, Fe en O bleken 3,46, 0,78, 2,13 en 24,39% respectievelijk. Dit FESEM- en EDX-resultaat bevestigt de vorming van zeoliet-ijzer-nanomaterialen.

Voorbereiding van senserende elektrodo voor IL-3-bepaling

Anti-IL-3 antilichaam-immobilisatie op de capacitieve biosensor werd bevestigd door het wijzigen van het capaciteitsniveau na elke biomoleculaire immobilisatie. Figuur 3a toont de capaciteitsveranderingen tijdens het proces van antilichaam-hechting aan het zeoliet-ijzer-gewijzigde oppervlak. Zoals getoond in Fig. 3a, toont de KOH-getetherde capacitieve elektrodo-oppervlak een capaciteitswaarde van 1,74 × 10⁹ nF, en na druppelgewijze toevoeging van de APTMS-zeoliet-ijzer, steeg het tot 2,02 × 10⁹ nF. Deze toename in capaciteit bevestigde de hechting van de nanomaterialen aan het senserende elektrodo. Bovendien, na toevoeging van anti-IL-3 antilichaam, steeg de capaciteitswaarde drastisch tot 3,42 × 10⁹ nF. Deze hogere toename werd opgemerkt door de hogere hoeveelheid antilichaam-immobilisatie op de APTMS-gewijzigde zeoliet-ijzer. Daarnaast toonden de nanomaterialen een juiste rangschikking met een hoger aantal APTMS op het senserende elektrodo-oppervlak, wat uiteindelijk meer antilichamen aantrok. Ten slotte werd PEG-COOH toegevoegd voor blokkeringsdoeleinden, en de capaciteit werd gevonden om te stijgen tot 3,64 × 10⁹ nF. De sensor werkt op basis van veranderingen in oppervlaktelading en, uiteindelijk, veranderingen in capaciteit. De oppervlakteladingsveranderingen variëren met moleculaire hechtingen/interacties. Elk molecuul draagt verschillende ladingen en beïnvloedt de capaciteit van de sensor. Daarom werd het verschil in capaciteit overwogen voor de metingen. Hogere veranderingen in capaciteit werden opgemerkt door de hogere bezetting van IL-3 antilichamen op het senserende elektrodo-oppervlak (Fig. 3b). PEG-COOH helpt om niet-specifieke binding van IL-3 op het senserende elektrodo-oppervlak te verminderen en vals-positieve resultaten te elimineren. Verschillende studies hebben bewezen dat PEG-gebaseerde polymeren op senserende oppervlakken de biocompatibiliteit verbeteren, de signaal-ruisverhouding verminderen en een juiste oriëntatie van geïmmobiliseerde biomoleculen op senserende oppervlakken bieden, wat leidt tot een lagere detectielimiet van de sensor. Aangezien het APTMS-oppervlak andere biomoleculen elektrostatisch aantrekt, werd PEG-COOH gebruikt om het overtollige APTMS-oppervlak op het zeoliet-ijzer-nanomateriaal te bedekken, wat helpt biofouling te verminderen. Deze anti-IL-3-gewijzigde oppervlakte werd gebruikt om IL-3 te identificeren.

Bepaling en kwantificering van IL-3 op het anti-IL-3 antilichaam-oppervlak

IL-3 werd gekwantificeerd op een anti-IL-3-gewijzigd capacitieve elektrodo-senserend oppervlak. Initieel werd een hogere concentratie van IL-3 (100 pg/mL) getest op het antilichaam-gewijzigde oppervlak, en de capaciteitswaarde steeg van 3,74 × 10¹⁰ nF tot 13 × 10¹⁰ nF. Deze toename bevestigt de interactie van IL-3 met anti-IL-3 antilichaam (Fig. 4a). Een vergelijkbaar experiment werd uitgevoerd met IL-3-concentraties van 3 tot 50 pg/mL. Zoals getoond in Fig. 4b, steeg de capaciteitswaarden tot 4,56 × 10¹⁰ nF, 5,84 × 10¹⁰ nF, 6,64 × 10¹⁰ nF, 8,39 × 10¹⁰ nF en 12 × 10¹⁰ nF. Het werd opgemerkt dat met toenemende concentraties van IL-3, de capaciteitswaarden geleidelijk toenamen (Fig. 5a). Het verschil in de capaciteitswaarden werd berekend en geplottet in een Excel-blad, en de detectie van IL-3 werd berekend als 3 pg/mL met een R²-waarde van 0,9673 (Fig. 5b). Een lineaire dosis-afhankelijke respons met verschillende concentraties van IL-3 (3–100 pg/mL) werd gevonden bij interactie met anti-IL-3. Echter, bij verdere titratie van concentraties, verzadigden de monsters.

Biofouling/Non-fouling op de APTES-zeoliet-ijzer-gewijzigde capacitieve elektrodo

Biofouling is het grootste probleem in elke soort biosensor, wat leidt tot vals-positieve identificatie van het doel op het senserende oppervlak. Blokkerende middelen zoals BSA, ethanolamine en PEG-gebaseerde polymeren zijn veelvoorkomende moleculen die biofouling op senserende oppervlakken verminderen. Hier werd PEG-COOH gebruikt als blokkeringsmiddel, 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 getoond in Fig. 6a, faalden alle drie de controle-experimenten om de capaciteitswaarde te verhogen, wat de specifieke identificatie van IL-3 zonder enige biofouling aangeeft.

Spiken van IL-3 in menselijk serum en stabiliteit

Verschillende concentraties van IL-3 werden gespikt in menselijk serum en onderworpen aan dezelfde experimentele procedure om IL-3 in real-life situaties te identificeren. Zoals weergegeven in Fig. 6b, produceerde gespikte IL-3 in menselijk serum duidelijk verhoogde capaciteitswaarden met verhoogde concentraties van IL-3. Dit resultaat bevestigt de selectieve IL-3-identificatie door de anti-IL-3-gewijzigde capacitieve elektrodo.

Overweging de reproduceerbaarheid, gedraagt het senserende oppervlak goed, met minimale foutwaarden. De operationele levensduur van het gefabriceerde senserende oppervlak-gehechte nanomateriaal kan verlengd worden tot drie maanden met juiste opslag in een desiccator. Echter, na het hechten van de sond, was het oppervlak stabiel voor 2 weken en neigde het om 19% van de stabiliteit te verliezen, en de stabiliteitsverlies werd steil vanaf de 3e week. Om de hoge prestaties van de huidige sensor te bewijzen, is een vergelijkende studie uitgevoerd met de momenteel beschikbare sensoren, en de resultaten geven aan dat het vergelijkbaar is en in verschillende gevallen beter presteert (Tabel 1).

Conclusie

Sepsis is levensbedreigend, betreft een overweldigende immuunreactie, is extreem gevaarlijk en beïnvloedt het hele lichaam. Deze studie toonde de identificatie van een sepsis-biomarker (IL-3) op een capacitieve elektrodo. Zeoliet-ijzer-nanomateriaal werd geëxtraheerd uit een kolenvlieg-gewijzigde capacitieve elektrodo om de stroom te vergroten bij binding van biomoleculen aan het senserende elektrodo. Amine-modificatie werd uitgevoerd om anti-IL-3 antilichaam aan de zeoliet-ijzer te hechten. IL-3-detectie werd uitgevoerd op een antilichaam-gewijzigde elektrode en bereikte de detectielimiet van IL-3 tot 3 pg/mL. Verder faalden controle-experimenten om een toename in capaciteitswaarde te tonen, wat de specifieke detectie van IL-3 bevestigt, en selectieve experimenten met gespikte IL-3 in menselijk serum toonden een duidelijke toename in capaciteit. Deze experimentele methode kwantificeert IL-3-niveaus en helpt bij het diagnosticeren van sepsis-aanvallen.