Design of localized surface plasmon resonance (LSPR) based biosensor for detecting a potential cancer biomarker

Abstract

Conventional methods for detection of cancer are invasive, expensive and not suitable for early diagnosis. Therefore, demand for simple, sensitive and rapid biosensors for detection of cancer have been enormous. Gold nanorods (GNRs) have been ideal materials for utilization in biosensors because of their exceptional optical properties. Localized surface plasmon resonance (LSPR) which is created on GNR surface can be used for the development of label-free and sensitive biosensor systems. LSPR responds to changes in the refractive index of the surroundings and this change can be observed as the shift in the maximum absorption wavelengths. In this thesis, an LSPR based GNR biosensor was developed for sensitive detection of a sialic acid as a potential cancer biomarker. For this purpose, GNRs were synthesized at around 40-50 nm in length. Afterwards, glass surfaces were coated with GNRs and functionalized with self-assembling molecules. Specific monoclonal antibodies(Ab) were conjugated to the surface. The surface modifications were characterized via contact angle, scanning electron microscope, Fourier transform infrared spectroscopy and zeta potential. Ab-functionalized glass surfaces were used to quantitatively detect specific molecular bindings via LSPR. The sensitivity of the biosensor was determined as 281 RIU/nm. The detection limit in PBS was 1 nM, while in serum it was found to be as 10 nM because of the high protein content of serum. Control experiments showed that the developed biosensor chip was selective. The proposed system is promising for early diagnosis of cancer since it can detect a potential cancer biomarker at concentrations as low as nanomolar level.

Kanser teşhisi için bilinen yöntemler invaziv ve maliyeti yüksek yöntemlerdir. Ayrıca erken teşhiste başarılı olamamaktadır. Bu sebeple güvenilir, hassas ve hızlı ölçüm sağlayabilen biyosensörlere ihtiyaç artmıştır. Altın nanoçubuklar eşsiz optik ve elektriksel özellikleriyle biyosensörlerde kullanmak için ideal bir malzemedir. Altın nanoçubukların yüzeyinde oluşan lokalize yüzey plazmon rezonansı (LSPR) ile etiket gerektirmeyen ve hızlı sonuç veren, hassas biyosensörler tasarlanabilmektedir. Lokalize yüzey plazmon rezonansı ortamın kırınım indisi değişimine göre yanıt vermektedir ve bu değişim ultraviyole-görünür ışık spektroskopisinde maksimum dalgaboyundaki pik kaymalarına bakarak gözlenebilmektedir. Bu çalışmada LSPR temelli altın nanoçubuk biyosensör tasarlanmıştır. Potansiyel kanser belirteci olarak bir sialik asit molekülünün teşhisi amaçlanmıştır. Bu amaç için öncelikle altın nanoçubuklar 40-50 nm boyutlarında sentezlenmiştir. Ardından, cam yüzeyler altın nanoçubuklar ile kaplanmış ve yüzey, spesifik moleküller ile fonksiyonelleştirilmiştir ve kanser belirtecine spesifik monoklonal antikor, yüzeye bağlanmıştır. Yüzey karakterizasyonları temas açı ölçümü, taramalı elekttron mikroskobu, Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi ve zeta potansiyeli ölçümleri ile yapılmıştır. Antikor ile fonksiyonelleştirilmiş cam yüzeylerdeki spesifik moleküler bağlanmalar kantitatif olarak LSPR ile belirlenmiştir. Biyosensörün hassasiyeti 281 nm/RIU olarak bulunmuştur. Dedeksiyon limiti tampon çözeltide 1 nM, serumda ise yüksek protein içeriği sebebiyle 10 nM olarak bulunmuştur. Biyosensörün, teşhisi amaçlanan sialik asit molekülüne karşı seçiciliği kontrol deneyleriyle gösterilmiştir. Tasarlanan biyosensör, nanomolar seviyesi gibi düşük konsantrasyonlarda ölçüm sağlayabildiğinden kanserin erken teşhisi için umut verici bir sistemdir.