[論文レビュー] Femtomolar-level detection of SARS-CoV-2 spike proteins using toroidal plasmonic metasensors

Arash Ahmadivand, Burak Gerislioglu+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2020

Molecular Communication and Nanonetworks参考文献 51被引用数 25

ひとこと要約

本研究では、抗スパイクモノクローナル抗体で機能化された金ナノ粒子を用いて、SARS-CoV-2スパイクたんぱく質のフェムトモルレベル検出を可能にするトロイダルプラズモニックメタセンサーを提示する。準無限メタサーフェスでトロイダルデューポールモードを励起することにより、センサーは約4.2 fmolの検出限界を達成し、臨床現場における迅速でラベルフリーの診断のための高い感度と可能性を示している。

ABSTRACT

Effective and efficient management of human betacoronavirus severe acute respiratory syndrome (SARS)-CoV-2 infection i.e., COVID-19 pandemic, required sensitive sensors with short sample-to-result durations for performing diagnostics. In this direction, one of appropriate alternative approach to detect SARS-CoV-2 at low level (fmol) is exploring plasmonic metasensor technology for COVID-19 diagnostics, which offers exquisite opportunities in advanced healthcare programs, and modern clinical diagnostics. The intrinsic merits of plasmonic metasensors stem from their capability to squeeze electromagnetic fields, simultaneously in frequency, time, and space. However, the detection of low-molecular weight biomolecules at low densities is a typical drawback of conventional metasensors that has recently been addressed using toroidal metasurface technology. This research reports fabrication of a miniaturized plasmonic immunosensor based on toroidal electrodynamics concept that can sustain robustly confined plasmonic modes with ultranarrow lineshapes in the terahertz (THz) frequencies. By exciting toroidal dipole mode using our quasi-infinite metasurface and a judiciously optimized protocol based on functionalized gold nanoparticles (NPs) conjugated with the specific monoclonal antibody of SARS-CoV-2 onto the metasurface, the resonance shifts for diverse concentrations of the spike protein is monitored. Possessing molecular weight around ~76 kDa allowed us to detect the presence of spike protein with significantly low LoD ~4.2 fmol.

研究の動機と目的

• SARS-CoV-2スパイクタンパク質の早期検出を目的とした、高感度で小型化されたプラズモニックインヒビューショングセンサーの開発。
• 従来のメタセンサーが低濃度・低分子量バイオマーカーを検出する際の限界を克服すること。
• テラヘルツ周波数範囲における超狭帯域のラインシープを有する、強力に閉じ込められたプラズモニックモードを実現するためのトロイダル電磁力学の活用。
• 臨床診断における迅速でラベルフリーの検出を可能にし、短時間で結果を得られるようにすること。
• 実世界の診断応用において、ウイルスバイオマーカーのフェムトモル未塔の検出限界を達成すること。

提案手法

• トロイダル電磁力学に基づく、閉じ込められたプラズモニックモードを維持する小型化されたプラズモニックメタセンサーの作製。
• テラヘルツ周波数でトロイダルデューポールモードを励起するための準無限メタサーフェスの使用。
• SARS-CoV-2特異的モノクローナル抗体で機能化された金ナノ粒子を用いて、スパイクタンパク質への選択的結合を実現。
• スパイクタンパク質がさまざまな濃度で結合した際のメタセンサーにおける共鳴エネルギーのシフトをモニタリング。
• 感度と信号対雑音比を最大化するためのセンサープロトコルの最適化。
• 測定可能なスペクトルシフトを介して低濃度バイオマーカーを検出可能な、プラズモニック場の増幅の活用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トロイダルプラズモニックメタセンサーは、SARS-CoV-2スパイクタンパク質のフェムトモルレベル検出を達成できるか？
• RQ2 トロイダルデューポールモードは、テラヘルツ帯域でどのようにプラズモニック場の閉じ込めと感度を向上させるか？
• RQ3 この機能化されたメタセンサー・プラットフォームを用いたスパイクタンパク質の検出限界は何か？
• RQ4 このセンサーは、低スパイクタンパク質濃度の範囲でどのように性能を発揮するか？
• RQ5 このプラットフォームは、迅速でラベルフリーかつ高感度なSARS-CoV-2診断を可能にするか？

主な発見

• センサーはSARS-CoV-2スパイクタンパク質の検出限界を約4.2 fmolに達成し、フェムトモルレベルの感度を示した。
• 低スパイクタンパク質濃度の範囲で共鳴エネルギーのシフトが一貫して測定可能であり、再現性のある検出を確認した。
• トロイダルプラズモニックモードにより超狭帯域のラインシープが実現され、スペクトル分解能と信号の明瞭さが向上した。
• モノクローナル抗体で機能化された金ナノ粒子は、スパイクタンパク質への特異的かつ選択的な結合を可能にした。
• 準無限メタサーフェスの設計により、プラズモニックモードの強力な閉じ込めが確保され、検出の信頼性が向上した。
• 強い電磁場増幅と迅速な応答時間のおかげで、迅速なサンプル・トゥ・リザルト診断が可能であるプラットフォームを実現した。