측면 유동 분석 검출 및 정량화를 위한 플라즈몬 열 감지 기반 휴대용 장치

결과 및 토론

나노 입자의 특성

공액 나노프림의 UV-Vis 스펙트럼은 그림 2a에 나와 있으며, 이는 최대 피크가 1130 nm임을 나타냅니다. 레이저 파장(1064 nm)에서 AuNPr의 흡광도는 1130 nm에서 최대 흡광도의 92%입니다. SEM 및 TEM 이미지(그림 2b, c)를 수집하여 나노 입자의 형태를 시각화하여 대부분의 삼각형 모양을 확인했습니다.

금 나노프림의 특성. 아 나노 입자의 UV-Vis 스펙트럼. b로 시각화된 비접합 나노입자의 대표적인 이미지 검색엔진 마케팅 및 c TEM

기기의 측정 조건 최적화

열 감지에서 감지 시간과 레이저 다이오드에서 테스트 라인까지의 거리는 신호 응답에 영향을 미치는 주요 요소입니다[27, 28]. 측정 조건을 최적화하기 위해 두 가지 요소를 연구했습니다. 조사 시간의 최적화를 위해 스트립을 10분 동안 조사하고 두 센서의 온도 변화를 각각 기록했습니다. Fig. 3a에서 볼 수 있듯이 10 분 이내에 온도 상승이 계속되었으나 120 초 이후에는 온도 상승이 정체기(plateau)에 도달하기 시작하였다. 이 결과는 시간에 따른 열 신호 변화에서 유사한 경향이 관찰된 이전 연구와 일치합니다[28]. POCT의 요구사항과 소비전력을 고려하여 소자의 감지시간을 120 s로 설정하였다.

열 감지 최적화. 아 10분 조사에 따른 온도 변화. ㄴ 다양한 조사 거리에서의 열 신호

그런 다음 거리 최적화가 수행되었습니다. 그림 3b는 레이저 다이오드와 테스트 라인 사이의 거리가 멀어질수록 열 신호가 감소함을 보여줍니다. 그 이유는 거리가 멀어질수록 테스트 라인에 도달하는 레이저 파워가 약해지기 때문일 수 있습니다. 최대 신호 응답을 얻기 위해 거리는 7 mm로 설정되었습니다.

주변 온도가 열 감지에 미치는 영향

열 감지는 온도와 밀접한 관련이 있으므로 주변 온도가 열 감지에 어떤 영향을 미치는지에 대한 연구가 필요했습니다. 주변 온도는 인큐베이터를 사용하여 27.5~40°C 범위였습니다. 2.5 °C의 간격으로 각 온도 지점에서 총 4개의 샘플을 측정했습니다. 주변 온도 대 열 신호 곡선은 두 열 감지 방법에 의해 블랭크 및 1 OD/mL 스트립에 대해 각각 측정되었습니다. 주변 온도에 대한 피팅 곡선의 매개변수는 표 1에 나와 있습니다. 그림 4a는 전도 모드에서 곡선 기울기가 일반적으로 다른 농도에 대해 일관적임을 보여줍니다. 결과적으로 주변 효과 곡선을 사용하여 정량적 결과를 보정할 수 있습니다. 방사선 모드에서 두 농도에 해당하는 곡선(Fig. 4b)의 기울기는 서로 일치하였으나 두 곡선 모두 하향 경향을 보였다. 결과는 고온 변동이 있는 조건에서 샘플을 측정할 때 전도 모드가 더 신뢰할 수 있음을 시사합니다.

주변 온도의 영향. 아 열 신호는 전도 모드에서 주변 온도에 따라 변합니다. ㄴ 복사 모드에서 주변 온도에 따른 열 신호 변화

나노 입자의 정량화

열 감지 감지

표준 정량화 곡선을 얻기 위해 두 가지 열 감지 방법(추가 파일 1:그림 S5)을 각각 사용하여 0 ~ 10OD/mL 범위의 나노 입자를 포함하는 테스트 스트립을 감지했습니다. 다른 농도의 나노입자를 포함하는 스트립(추가 파일 1:그림 S6a)은 언급된 휴대용 장치에서 감지되었습니다("재료 및 방법" 섹션 참조). 장치의 두 센서 설정은 추가 파일 1:그림 S5a 및 S5b에 나와 있습니다. 27.5 °C의 주변 온도에서 각 농도에 대해 4개의 샘플을 테스트했습니다. 이 장치는 AUC 방법을 적용하여 테스트 라인에서 열 신호를 계산했습니다. 따라서 열 신호의 정량화는 테스트 라인의 나노 입자 양에 비례했습니다. 정량화 곡선(그림 5a)은 나노 입자의 농도에 대한 열 신호에서 얻은 데이터의 선형 회귀에 의해 생성되었으며 표 2의 공식으로 표시됩니다.

나노 입자의 정량화. 아 세 가지 방법의 표준 정량화 곡선. ㄴ 선형 곡선으로 낮은 농도의 정량적 결과

표 2는 복사 모드의 감도가 전도 모드의 감도보다 15배 높음을 보여줍니다. 전도 및 방사선 모드의 LOD는 각각 0.053 OD/mL 및 0.023 OD/mL였습니다. 열 감지에서 복사 모드는 전도 모드에 비해 검출 한계(LOD)를 2배 향상시켰습니다. LFA 스트립의 안정성도 추가 파일 1:그림 S7에 설명된 대로 테스트되었습니다. 전도성 열 감지 모드는 두 고체 사이의 열 전달이 필요합니다. 테스트 라인의 온도가 급격히 상승하면 센서가 테스트 라인과 같은 온도에 도달하는 데 시간(이완 시간)이 걸립니다. 그 결과 센서의 온도는 감지 종료 시점의 테스트 라인의 실제 온도보다 낮았다. 반면에, 복사 모드는 현재 온도를 얻기 위해 테스트 라인에 의해 조사된 IR 파장을 센서가 직접 감지하기 때문에 센서에 열을 전달할 필요가 없습니다. 감지의 전도 모드에서는 방열판 역할을 하는 우수한 열 전도체의 존재로 인해 열의 일부가 소실된 반면, 복사 감지에서는 공기와 스트립 자체만 방열에 개입했습니다. 이러한 이유로 전도 방식의 감도가 방사 방식보다 낮은 것으로 설명할 수 있습니다.

농도가 10OD/mL인 스트립을 테스트할 때 방사선(비접촉) 감지 모드를 사용하여 타는 자국이 있음을 발견했습니다. One possible reason for this phenomenon is that in the non-contact measurement, the low thermal conductivity of the air allows the heat to be retained in the test line and dissipate less efficiently, increasing the effective local temperature and eventually causing the combustion of the membrane.

In the contact mode of detection, however, the sensor with a large thermal conductivity acted as medium and heatsink. In this way, heat was conducted to the sensor so that no combustion occurred in the test line.

Comparison Between Thermal Sensing and Visual Detection

Due to its popularity for portable devices and wide use, we compared the thermal sensing with visual detection for its detection ability. For visual detection, the pictures of the strip were taken by a conventional microscope digital camera. The test strips were mounted in the cartridge to ensure the positional consistency of the image analysis in a similar fashion than with the thermal sensing. Software Image J was used to analyze the grey value in the test line for different concentrations of nanoparticles. A standard curve (Fig. 5a) of the visual detection method was plotted based on the results of this analysis. The linear range between the grey value and the concentration of nanoparticles was 0.2–10 OD/mL (R ² was 0.770 for the range of 0–0.2 OD/mL, so they were thus discarded from further analysis). The detection limit was 0.268 OD/mL. The results indicated that thermal sensing could reduce LOD by 5- to 12-fold compared to visual detection. In Qin’s research, they found that the LOD for visual analysis was 100-fold higher than thermal contrast [21]. Since they employed a high laser power and an infrared camera, they gained greater difference in LOD. One reasonable explanation for the LOD improvement is that thermal sensing is able to measure the nanoparticles on top and beneath the membrane surface. Another advantage of thermal sensing is that it has a higher stability than visual detection. Thermal sensing generates heat by the nanoparticles on the entire test line. Visual detection relies only on the color reaction of the nanoparticles on the surface of the test line. Even if the analyte concentrations of two test strips are the same, the distribution of the nanoparticles on the T-line in the tangent plane is different; thus, the visual inspection will result in a difference in the detection results while the thermal sensing is more stable and reproducible. On the contrary, the sensitivity of the visual detection was 2-fold higher than thermal sensing. Visual detection is a direct method for quantifying nanoparticles, while thermal sensing is an indirect measurement of the concentration of the nanoparticles by measuring the temperature changes, which may partially explain the lack of sensitivity. Figure 5b demonstrates that the linear range of detection for thermal sensing can be as low as 0 OD/mL, with the R ² of 0.972 (conduction) and 0.987 (radiation), suggesting that thermal sensing has a better potential for its applications in early detection in POCT than color quantification, since the target analytes are in lower concentrations.

Quantitative Detection of HCG

Finally, the biomarker HCG was quantified using our system in order to validate the thermal sensing. Both conduction and radiation modes were applied to quantify the HCG. The optical power was turned down to 150 mW, preventing the strips from burning. Strips (Additional file 1:Figure S6b) with four different concentrations were tested. Figure 6a and b show that the thermal signals were linear to the concentration of HCG from 35 to 700 mUI/mL. When the concentration was extended to the range of 35–7000 mUI/mL, the linearity was between the logarithm of the concentration and the thermal signal as in Fig. 6c, d. In conduction mode, the LOD was 64.2 mIU/mL which is in a similar range than the visual detection. However, the ideal LOD of the radiation mode was 2.8 mIU/mL. The data matched with the quantification of nanoparticles. Compared with other devices that applied photothermal effect (LOD =5.5 mIU/mL) [27], our device in radiation mode reduced the LOD by nearly 2-fold. Those results proved that thermal sensing is an effective way in LFA detection and quantification.

The standard curves of HCG. 아 A linear curve between the logarithm of the HCG concentration and the thermal signal in radiation mode. ㄴ A linear curve between the logarithm of the HCG concentration and the thermal signal conduction mode. ㄷ The quantification results of HCG in radiation mode. d The quantification results of HCG in conduction mode