Development of a combined surface plasmon resonance and love wave-surface acoustic wave system for biophysical studies

Abstract

The field of biosensing is closely related to the development of sensitive analytical techniques. Biosensors can be defined as such tools, incorporating a sensitive biological element and a transducer for the detection of a target analyte. Despite the great advances in the field of biosensors, there is still an ongoing demand for more accurate analytical information. In this PhD research project, we present the development of a novel combined surface plasmon resonance (SPR) and Love wave (LW) surface acoustic wave (SAW) system for biophysical studies. To achieve the above, we first investigated the experimental parameters required to match simultaneously the conditions for efficient SPR coupling and acoustic waveguiding. A hybrid SPR/LW-SAW device was designed and fabricated incorporating a PMMA waveguide layer and a Au-coated sensing area. The sensor was evaluated in terms of materials and structures in order to identify the optimal thickness for the PMMA and Au layer. In addition to that, a fluidic system consisting of a 3D-printed plastic holder integrated with a PDMS microfluidic chip was developed to allow experiments under continuous flow. The system was calibrated in a systematic study of the optical and acoustic responses for different surface perturbations i.e., rigid mass loading (Au deposition) and pure viscous loading (glycerol and sucrose solutions). Subsequently, simultaneous optical and acoustic measurements were employed for monitoring biomolecular interactions on a single surface. First, the combined SPR/LW-SAW platform was used to study the adsorption of proteins on Au. The proteins tested include bovine serum albumin (BSA) and three biotin-binding proteins; avidin (Av), streptavidin (SAv) and neutravidin (NAv). We proved that through appropriate quantitative interpretation of the combined data, it is feasible to extract protein film properties not accessible with a single technique. Finally, the system was applied for the characterization of double-stranded DNA molecules (dsDNAs) of various sizes immobilized on a SAv-modified, Au surface through a SAv-biotin link. Acoustic and optical signals were analyzed to get further insight into the properties of the immobilized DNA molecules including surface mass, conformation status and water content. Having verified the above-mentioned characteristics, we believe that the developed platform could lead to improved understanding of dynamic processes at biointerfaces.

Ο τομέας των βιοαισθητήρων είναι στενά συνδεδεμένος με την ανάπτυξη ευαίσθητων αναλυτικών τεχνικών. Οι βιοαισθητήρες μπορούν να οριστούν ως αναλυτικές συσκευές, που ενσωματώνουν ένα βιολογικό στοιχείο αναγνώρισης και έναν φυσικό μετατροπέα με σκοπό την ανίχνευση ενός συγκεκριμένου βιολογικού μορίου-στόχου. Παρά την σημαντική πρόοδο στον τομέα, εξακολουθεί να υπάρχει έντονη ζήτηση για την ανάπτυξη καινοτόμων συστημάτων που θα παρέχουν περισσότερες και πιο ακριβείς αναλυτικές πληροφορίες. Σε αυτήν την διδακτορική διατριβή παρουσιάζουμε την ανάπτυξη ενός καινοτόμου συστήματος που συνδυάζει τις τεχνικές συντονισμού επιφανειακών πλασμονίων (SPR) και επιφανειακών ακουστικών κυμάτων τύπου Love (LW-SAW) σε μία ενιαία πλατφόρμα και την εφαρμογή της σε βιοφυσικές μελέτες. Για να επιτύχουμε τα παραπάνω, πρώτα ερευνήσαμε τις πειραματικές παραμέτρους που απαιτούνται για την αποτελεσματική σύζευξη των δύο τεχνικών. Συγκεκριμένα, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ένας υβριδικός βιοαισθητήρας SPR/LW-SAW που ενσωματώνει ένα στρώμα ακουστικού κυματοδηγού, από πολυμερές PMMA, και ένα στρώμα ανίχνευσης με επικάλυψη χρυσού. Ο αισθητήρας αξιολογήθηκε ως προς τα υλικά και τις δομές προκειμένου να προσδιοριστεί το βέλτιστο πάχος των παραπάνω στρωμάτων. Επιπλέον, αναπτύχθηκε ένα σύστημα ροής που αποτελείται από μια πλαστική θήκη τρισδιάστατης-εκτύπωσης ενσωματωμένη με μία κυψελίδα μικρο-ροής, από υλικό PDMS, για να επιτρέπει πειράματα υπό συνεχή ροή. Το σύστημα βαθμονομήθηκε σε μια συστηματική μελέτη των οπτικών και ακουστικών αποκρίσεων κατά την εναπόθεση αυξανόμενη μάζας μετάλλου και κατά την εναλλαγή διαλυμάτων γλυκερόλης και σουκρόζης διαφορετικού ιξώδους. Στην συνέχεια, η ολοκληρωμένη πλατφόρμα SPR/LW-SAW χρησιμοποιήθηκε για τη μελέτη της προσρόφησης πρωτεϊνών σε επιφάνεια χρυσού. Οι πρωτεΐνες που δοκιμάστηκαν περιλαμβάνουν την αλβουμίνη βόειου ορού (BSA) και τρεις πρωτεΐνες που δεσμεύουν τηv βιοτίνη, συγκεκριμένα την αβιδίνη (Av), την στρεπταβιδίνη (SAv) και την νιουτραβιδίνη (NAv). Αποδείξαμε ότι μέσω της κατάλληλης ποσοτικοποίησης των δεδομένων, είναι εφικτό να εξαχθούν ιδιότητες των στρωμάτων πρωτεϊνών που δεν είναι προσβάσιμες με μία μόνο τεχνική. Τέλος, το σύστημα εφαρμόστηκε για τον χαρακτηρισμό μορίων δίκλωνου DNA (dsDNAs) διαφόρων μεγεθών, ακινητοποιημένων στην επιφάνεια μέσω του συμπλόκου στρεπταβιδίνης-βιοτίνης. Τα ακουστικά και οπτικά σήματα αναλύθηκαν με σκοπό να προκύψουν περαιτέρω πληροφορίες για τις ιδιότητες των μορίων DNA, συμπεριλαμβανομένης της μάζας στην επιφάνεια, της διαμόρφωσης τους και της περιεκτικότητας σε νερό. Έχοντας επαληθεύσει τα προαναφερθέντα χαρακτηριστικά, πιστεύουμε ότι το συγκεκριμένο σύστημα θα μπορούσε να βοηθήσει σημαντικά στην μελέτη και ανάλυση βιο-μοριακών αλληλεπιδράσεων σε επιφάνειες.