[논문 리뷰] Femtomolar-level detection of SARS-CoV-2 spike proteins using toroidal plasmonic metasensors

Arash Ahmadivand, Burak Gerislioglu외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 15.

Molecular Communication and Nanonetworks참고 문헌 51인용 수 25

한 줄 요약

이 연구는 항스パイ 단일클론 항체로 기능화된 금 나노입자를 사용하여 SARS-CoV-2 스푸이프 단백질을 페모몰 레벨로 감지할 수 있는 토로이드형 플라스모닉 메타센서를 제시한다. 준무한 메타표면에서 토로이드 듀폴 모드를 자극함으로써 센서는 약 4.2 fmol의 검출 한계를 달성하여 높은 감도를 보이며 임상 환경에서의 빠른 레이블 프리 진단에 잠재력을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• SARS-CoV-2 스푸이프 단백질의 조기 감지를 위한 고감도, 미니어처라이제이션된 플라스모닉 항체센서를 개발하기 위해.
• 기존 메타센서가 저농도, 저분자량 생체분자를 감지하는 데에 한계를 보이는 문제를 해결하기 위해.
• 테라헤르츠 주파수 대역에서 초박공한 선형형태를 가진 강력한 고립 플라스모닉 모드를 확보하기 위해 토로이드 전기역학을 활용하기 위해.
• 임상 진단을 위한 빠른 레이블 프리 감지와 짧은 샘플에서 결과 도출 시간을 가능하게 하기 위해.
• 실세계 진단 적용에서 바이러스 생체표지물질에 대해 페모몰 이하의 검출 한계를 달성하기 위해.

제안 방법

• 플라스모닉 모드를 고립시키기 위해 토로이드 전기역학 기반의 미니어처라이제이션된 플라스모닉 메타센서를 제작하기 위해.
• 테라헤르츠 주파수에서 토로이드 듀폴 모드를 자극하기 위해 준무한 메타표면을 사용하기 위해.
• 스푸이프 단백질에 대한 선택적 결합을 위해 SARS-CoV-2 특이성 단일클론 항체로 금 나노입자를 기능화하기 위해.
• 다양한 농도에서 스푸이프 단백질이 결합함에 따라 메타센서의 공진선이 어떻게 이동하는지 모니터링하기 위해.
• 감도와 신호 대 잡음비를 극대화하기 위해 센서 프로토콜을 최적화하기 위해.
• 측정 가능한 스펙트럼 이동을 통해 저농도 생체분자를 감지하기 위해 플라스모닉 필드 증폭을 활용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 토로이드형 플라스모닉 메타센서는 SARS-CoV-2 스푸이프 단백질을 페모몰 레벨로 감지할 수 있는가?
• RQ2 토로이드 듀폴 모드는 테라헤르츠 범위에서 플라스모닉 필드의 고립과 감도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 이 기능화된 메타센서 플랫폼을 사용할 때 스푸이프 단백질의 검출 한계는 무엇인가?
• RQ4 이 센서는 저농도 스푸이프 단백질 농도 범위에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ5 이 플랫폼은 SARS-CoV-2에 대해 빠르고 레이블 프리이며 고감도의 진단을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 센서는 SARS-CoV-2 스푸이프 단백질에 대해 약 4.2 fmol의 검출 한계를 달성하여 페모몰 레벨의 감도를 입증하였다.
• 저농도 스푸이프 단백질 농도 범위에서 일관되게 측정 가능한 공진선 이동이 관찰되어 재현 가능한 감지를 확인하였다.
• 토로이드형 플라스모닉 모드가 초박공한 선형형태를 가능하게 하여 스펙트럼 해상도와 신호 명료도를 향상시켰다.
• 단일클론 항체로 기능화된 금 나노입자가 스푸이프 단백질에 대한 특이적이고 선택적인 결합을 가능하게 하였다.
• 준무한 메타표면 설계가 플라스모닉 모드의 강력한 고립을 보장하여 감지 신뢰도를 향상시켰다.
• 강력한 전자기장 증폭과 빠른 반응 시간 덕분에 빠른 샘플에서 결과 도출 진단을 지원하는 플랫폼이 되었다.