پ۲۹۵۳۶
per
طراحي، شبیه سازی و ساخت سنسور بايوماركر VEGF مبتني بر رزونانس پلاسمون هاي سطحي
ابوالفضل نوريزاد
مهندسی برق وکامپیوتر
۱۴۰۲
۱۱۹ص.
سی دی
دکتری
مهندسی برق گرایش الكترونيك
۱۴۰۲/۰۶/۲۹
آشکارسازی و تعیین مقدار نشانگرهای زیستی در مطالعات پزشکی، تشخیص کلینیکی و کاربردهای پزشکی از اهمیت بالایی برخوردار است. از نظر کلینیکی، پروتئین VEGFA165 به عنوان بایومارکر تشخیصی و درمانی، عامل اصلی رشد انواع سرطان¬های انسانی و متاستاز است. بنابرین آشکارسازی این بایومارکر با بهره¬گیری از زیست¬حسگرهای تشدید پلاسمون¬های سطحی ( SPR) با ویژگی بسیار مهم " عدم نیاز به برچسب¬گذاری" ضروری بنظر می¬رسد.با عنایت به پژوهش¬های کم و در عین حال اهمیت این بایومارکر در تشخیص، پیش¬گیری و درمان، در این پژوهش، ابتدا پیشینه تحقیق جامعی انجام شد و انواع مختلف زیست¬حسگرها در زمینه آشکارسازی این بایومارکر جمع¬بندی و به عنوان مقاله ریویو در مجله "Environmental research" چاپ شد. سپس با بهره¬گیری از تئوری ماتریس انتقال و نرم¬افزارهای لومریکال (FDTD) و متلب، تمامی اجزاء تشکیل دهنده زیست¬حسگر با پیکربندی کرچمن با ملاحظات کاربرد عملی و کلینیکی طراحی، شبیه¬سازی و بهینه¬سازی شدند. در نهایت به ساختار FK51A-TiO2-Ag-Au-BP-graphene-BRE-PBS رسیدیم که FK51A به عنوان لایه منشور کوپلینگ، لایه اکسیدی تیتانیا با ضخامت بهینه 65 نانومتر، در نقش چسباندن شیشه به لایه پلاسمونی، فیلم نقره با ضخامت 35 نانومتردر نقش لایه پلاسمونیکی، لایه طلا با ضخامت یک نانومتر در نقش جلوگیری از اکسید شدن لایه نقره، لایه فسفرن سیاه با ضخامت شش لایه سبب افزایش میدان میرا در محیط حسگری، گرافن تک لایه بر روی فسفرن سیاه در نقش تسهیل در تثبیت لیگاند هستند. در نهایت ساختار پیشنهادی دارای حساسیت(°/ RIU) 356، ضریب کیفیت ( (RIU−1 7/42، انعکاس مینیمم (a.u) 07 /0 و دقت آشکارسازی 22/0 است. با امکان¬سنجی تجهیزات آزمایشگاهی و تهیه مواد لازم، ساخت این ساختار بهینه میسر نشد و فقط موادی اساسی لازم نظیر آپتامر بایومارکر VEGF، خود بایومارکر VEGF، اکسید گرافن کاهش یافته آمینه خریداری شدند. بنابرین به ساخت زیست¬حسگر با استفاده از دستگاه SPR با ساختارهای ساده اولیه BK7-Cr-Au-MUA-Aptamer و ساختار نهایی BK7-Cr-Au-MUA-amine tagged rGO-aptamer بسنده شد. آپتاحسگر بایومارکر VEGFA165 مبتنی بر ترنسدیوسر تشدید پلاسمون¬های سطحی با رنج دینامیک مناسب طراحی، بهینه¬سازی و ساخته شد. در طی فرایند ساخت، تمام مراحل از جمله تثبیت آپتامر و اکسید گرافن به صورت زمان واقعی توسط دستگاه SPR مستند و ثبت گردید. آپتاحسگر متداول دارای رنج دینامیک آشکارسازی از nM5/1 تا nM24 و رنج پایین آشکارسازی pM750 شد. برای افزایش رنج دینامیک و دستیابی به رنج پایین¬تر آشکارسازی، از اکسید گرافن ساندویچ شده بین لایه خودآراء و لیگاند برای بارگذاری بیشتر آپتامر استفاده شد. نتایج حاصل از بررسی نشان داد که مقدار آپتامر تثبیت شده در این روش، تقریباً سه برابر آپتاحسگر متداول است. در نتییجه، برای آپتاحسگر اکسید گرافنی کاهش یافته رنج دینامیک از nM192 تا pM325 و رنج پایین آشکارسازی pM162 است که نسبت به آپتاحسگر متداول گستره پاسخ وسیع¬تری دارد. پارامترهای مهم دیگر مانند انتخابگری، تکرارپذیری و پایداری بررسی شدند. هر دو آپتاحسگر به مدت 6 هفته پایدار بود و در طول این بازه زمانی، ضریب تغییر برای هر دو آپتاحسگر کمتر از 3 درصد بود. پاسخ حسگر به عوامل تداخلی مانند BSA و IgG که از پروتئین¬های با غلظت زیاد در سرم انسانی هستند در مقایسه با بافر حاوی VEGF خالص تغییر بسیار جزئی داشت. خاصیت انتخابگری بالا، رنج دینامیک وسیع، رنج پایین آشکارسازی، پایداری و تکرارپذیری آپتاحسگر اکسید گرافنی کاهش یافته راه را برای استفاده این نوع آپتاحسگر در حوزه سلامت و پزشکی باز می¬کند.
Abstract: Detection and quantification of disease biomarkers is of great importance for medical research, clinical diagnosis, and biomedical appplications. Regarding clinical application, Vascular endothelial growth factor (VEGF) as prognostic and treatment biomarker accounts for a variety of human cancers development and metastasis. Thus, Detecting of this biomarker by the use of surface plasmon resonance based biosensors seems of great nessesity with the key important feature of free-label detection. We reviewed all types of VEGF aptasensors and published it at Environmental research journal. We concluded that there has been done slight researches on surface plasmon resonance based biosensors with the vital feature of label-free although this biomarker plays a key role in prognostic, diognastic and treatment of various deseases. In this work, we applied transfer matrix theory and lumerical (FDTD) and matlab softwares to design, simulate, and optimize the aptasensor based on Kretishmann configuration with practical and clinical application. Finally, we proposed the structure of FK15A-TiO2(65nm)-Ag(35nm)-Au (1nm)-BP (6 layers)-G (1 layer)-aptamer-PBS. The sensitivity, quality factor, minimum reflectance, and detectionaccuracy of the proposed structure were 356 (°. RIU-1), 42.7 (RIU-1), 0.07 (a.u), and 0.22 (unitless), respectively. The fabrication of proposed structure was limited due to the restriction on lab equipment and required materials and essential materials such as VEGF biomarker aptamer, VEGF biomarker itself, amine-tagged reduced graphene oxide (GO) were purchased. Hence, the conventional (BK7-Cr-Au-MUA-aptamer) and GO (BK7-Cr-Au-MUA-GO-aptamer) based aptasensors were fabricated. All fabrication procedures of both aptasensors were done in real-time method, and recorded by SPR instrument. Conventional aptasensor showed dynamic range from 1.5 nM(nanomolar) to 24 nm and detection limit of 750 pM (picomolar). GO was sandwiched between MUA linker and aptamer to enhance aptamer loading. The results showed that immobilized aptamer increased three times more than that of conventional aptasensor. The dynamic range broadened and ranged from 325 pM to 192 nM with detection limit of 162 pM. Other key factors were also investigated and both aptasensors were stable during 6 weeks under the condistion of 4 °C in PBS buffer. The analysis of measurements exhibited coefficient variation less than 3 for both of them. The selectivity was the other important parameter that was evaluated by the use of BSA and IgG proteins in VEGF buffer and The responses were slightly changed. In conclusion, GO aptasensor can be the strategy to fabricate VEGF aptasensors to be used clinically.
Design, simulation and fabrication of VEGF biomarker biosensor based on surfase plasmon resonanse
نوريزاد،
ابوالفضل
تهیه کننده
گل محمدي هریس،
توحيدكيا،
آقانژاد،
سعيد
محمدرضا
ایوب
استاد راهنما
استاد راهنما
استاد مشاور
تبریز
