[论文解读] 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 25

一句话总结

本研究提出了一种环形等离子体超表面传感器，通过使用针对刺突蛋白的金纳米颗粒功能化单克隆抗体，实现了对SARS-CoV-2刺突蛋白的飞摩尔级别检测。通过在准无限超表面上激发环形偶极子模式，该传感器实现了约4.2 fmol的检测限，展现出高灵敏度，并在临床环境中具备快速、无标记检测的潜力。

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.

研究动机与目标

• 开发一种高灵敏度、微型化的等离子体免疫传感器，用于早期检测SARS-CoV-2刺突蛋白。
• 克服传统超表面传感器在检测低丰度、低分子量生物分子方面的局限性。
• 利用环形电动力学实现可在太赫兹频段内实现高度局域化的等离子体模式与超窄线型。
• 实现实时、无标记检测，具有短样本到结果时间，适用于临床诊断。
• 在真实世界诊断应用中实现病毒生物标志物的亚飞摩尔检测限。

提出的方法

• 基于环形电动力学制造一种微型化等离子体超表面传感器，以维持局域化的等离子体模式。
• 利用准无限超表面在太赫兹频率下激发环形偶极子模式。
• 通过SARS-CoV-2特异性单克隆抗体对金纳米颗粒进行功能化，实现对刺突蛋白的选择性结合。
• 监测不同浓度下刺突蛋白结合引起的超表面共振频移。
• 优化传感器流程以最大化灵敏度和信噪比。
• 利用等离子体场增强效应，通过可测量的光谱位移检测低浓度生物分子。

实验结果

研究问题

• RQ1 环形等离子体超表面传感器能否实现对SARS-CoV-2刺突蛋白的飞摩尔级别检测？
• RQ2 环形偶极子模式如何在太赫兹频段增强等离子体场局域化与灵敏度？
• RQ3 该功能化超表面平台对刺突蛋白的检测限是多少？
• RQ4 该传感器在一系列低刺突蛋白浓度下的表现如何？
• RQ5 该平台能否实现快速、无标记且高度灵敏的SARS-CoV-2诊断？

主要发现

• 该传感器对SARS-CoV-2刺突蛋白的检测限达到约4.2 fmol，证实了飞摩尔级别的灵敏度。
• 在一系列低刺突蛋白浓度下，共振频移均能稳定可测，证实了检测的可重复性。
• 环形等离子体模式实现了超窄线型，提升了光谱分辨率与信号清晰度。
• 经抗体功能化的金纳米颗粒实现了对刺突蛋白的特异性与选择性结合。
• 准无限超表面设计确保了等离子体模式的强局域化，提升了检测的可靠性。
• 由于强电磁场增强与快速响应时间，该平台支持快速样本到结果的诊断。