Label-free optical methods for the monitoring of interactions between biological molecules have become increasingly popular within the last decade. A rising number of publications have demonstrated the benefits of direct biomolecular interaction analysis(BIA) for biology and biochemistry, such as antigen-antibody Interactions, receptor-ligand interactions, protein-DNA, DNA- intercalator, and DNA-DNA interactions. This article gives an overview of the historical development, principle and application of label-free optical biosensor to examine the functional characteristics of biospecific interaction, such as kinetics, affinity, and binding position of biomolecular between an immobilized species at the transducer surface and its dissolved binding partner.
The functionalized photonic crystals of porous silicon biosensor was prepared for the application as a label-free biosensor based on distributed Bragg reflector interferometer. Prepared distributed Bragg reflector of porous silicon biosensor displayed sharp reflection in the optical reflective spectra. The mean of construction of molecular architectures on distributed Bragg reflector of porous silicon surfaces was investigated for the step-by-step binding interaction with amines, biotin, avidin, and biotinylated protein A. The subsequent introduction of avidin, and biotinylated protein A resulted in the reflectivity shifted to longer wavelengths, indicative of a change in refractive indices induced by binding of biomolecules.
Kim, Duck-Jin;Sohn, Il-Yung;Jung, Jin-Heak;Yoon, Ok-Ja;Lee, N.E.;Park, Joon-Shik
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2012.02a
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pp.549-549
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2012
Early detection of cancer biomarkers in the blood is of vital importance for reducing the mortality and morbidity in a number of cancers. From this point of view, immunosensors based on nanowire (NW) and carbon nanotube (CNT) field-effect transistors (FETs) that allow the ultra-sensitive, highly specific, and label-free electrical detection of biomarkers received much attention. Nevertheless 1D nano-FET biosensors showed high performance, several challenges remain to be resolved for the uncomplicated, reproducible, low-cost and high-throughput nanofabrication. Recently, two-dimensional (2D) graphene and reduced GO (RGO) nanosheets or films find widespread applications such as clean energy storage and conversion devices, optical detector, field-effect transistors, electromechanical resonators, and chemical & biological sensors. In particular, the graphene- and RGO-FETs devices are very promising for sensing applications because of advantages including large detection area, low noise level in solution, ease of fabrication, and the high sensitivity to ions and biomolecules comparable to 1D nano-FETs. Even though a limited number of biosensor applications including chemical vapor deposition (CVD) grown graphene film for DNA detection, single-layer graphene for protein detection and single-layer graphene or solution-processed RGO film for cell monitoring have been reported, development of facile fabrication methods and full understanding of sensing mechanism are still lacking. Furthermore, there have been no reports on demonstration of ultrasensitive electrical detection of a cancer biomarker using the graphene- or RGO-FET. Here we describe scalable and facile fabrication of reduced graphene oxide FET (RGO-FET) with the capability of label-free, ultrasensitive electrical detection of a cancer biomarker, prostate specific antigen/${\alpha}$ 1-antichymotrypsin (PSA-ACT) complex, in which the ultrathin RGO channel was formed by a uniform self-assembly of two-dimensional RGO nanosheets, and also we will discuss about the immunosensing mechanism.
Kim, Shin-Ae;Kim, Sung-June;Lee, Sang-Hun;Park, Tai-Hyun;Byun, Kyung-Min;Kim, Sung-Guk;Shuler, Michael L.
Journal of the Optical Society of Korea
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v.13
no.3
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pp.392-397
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2009
We designed a wavelength interrogation-based surface plasmon resonance (SPR) biosensor to detect avian influenza DNA (AI-DNA). Hybridization reactions between target AI-DNA probes and capture probes immobilized on a gold surface were monitored quantitatively by measuring the resonance wavelength in the visible waveband. The experimental results were consistent with numerical calculations. Although the SPR detection technique does not require the DNA to be labeled, we also evaluated fluorescently-labeled targets to verify the hybridization behavior of the AI-DNA. Changes in resonance were found to be linearly proportional to the amount of bound analyte. A wavelength interrogation-type SPR biosensor can be used for rapid measurement and high-throughput detection of highly pathogenic AI viruses.
In this review, we will discuss aptamer technologies including in vitro selection, signal transduction mechanisms, and designing aptamers and aptazyme for label-free biosensors and catalysts. Dye-displacement, a typical label-less method, is described here which allows avoiding relatively complex labeling steps and extending this application to any aptamers without specific conformational changes, in a more simple, sensitive and cost effective way. We will also describe most recent and advanced technologies of signaling aptamer and aptazyme for the various analytical and clinical applications. Quantum dot biosensor (QDB) is explained in detail covering designing and adaptations for multiplexed protein detection. Application to aptamer array utilizing self-assembled signaling aptamer DNA tile and the novel methods that can directly select smart aptamer or aptazyme experimentally and computationally will also be finally discussed, respectively.
Kim, Jang Ah;Hwang, Taehyun;Dugasani, Sreekantha Reddy;Kulkarni, Atul;Park, Sung Ha;Kim, Taesung
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2014.02a
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pp.401-401
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2014
In this study, graphene, the most attractive material today, has been applied to the wavelength-modulated surface plasmon resonance (SPR) sensor. The optical fiber sensor technology is the most fascinating topic because of its several benefits. In addition to this, the SPR phenomenon enables the detection of biomaterials to be label-free, highly sensitive, and accurate. Therefore, the optical fiber SPR sensor has powerful advantages to detect biomaterials. Meanwhile, Graphene shows superior mechanical, electrical, and optical characteristics, so that it has tremendous potential to be applied to any applications. Especially, grapheme has tighter confinement plasmon and relatively long propagation distances, so that it can enhance the light-matter interactions (F. H. L. Koppens, et al., Nano Lett., 2011). Accordingly, we coated graphene on the optical fiber probe which we fabricated to compose the wavelength-modulated SPR sensor (Figure 1.). The graphene film was synthesized via thermal chemical vapor deposition (CVD) process. Synthesized graphene was transferred on the core exposed region of fiber optic by lift-off method. Detected analytes were biotinylated double cross-over DNA structure (DXB) and Streptavidin (SA) as the ligand-receptor binding model. The preliminary results showed the SPR signal shifts for the DXB and SA binding rather than the concentration change.
The microcantilever (MCL) sensor is one of the most promising platforms for next-generation label-free biosensing applications. It outperforms conventional label-free detection methods in terms of portability and parallelization. In this paper, an overview of recent advances in our understanding of the coupling between biomolecular interactions and MCL responses is given. A dual compact optical MCL sensing platform was built to enable biosensing experiments both in gas-phase environments and in solutions. The thermal bimorph effect was found to be an effective nanomanipulator for the MCL platform calibration. The study of the alkanethiol self-assembly monolayer (SAM) chain length effect revealed that 1-octanethiol ($C_8H_{17}SH$) induced a larger deflection than that from 1-dodecanethiol ($C_{12}H_{25}SH$) in solutions. Using the clinically relevant biomarker C-reactive protein (CRP), we revealed that the analytical sensitivity of the MCL reached a diagnostic level of $1{\sim}500{\mu}g/ml$ within a 7% coefficient of variation. Using grazing incident x-ray diffractometer (GIXRD) analysis, we found that the gold surface was dominated by the (111) crystalline plane. Moreover, using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analysis, we confirmed that the Au-S covalent bonds occurred in SAM adsorption whereas CRP molecular bindings occurred in protein analysis. First principles density functional theory (DFT) simulations were also used to examine biomolecular adsorption mechanisms. Multiscale modeling was then developed to connect the interactions at the molecular level with the MCL mechanical response. The alkanethiol SAM chain length effect in air was successfully predicted using the multiscale scheme.
Biosensor based on rugate PSi interferometer for the detection of avidin has been described. Rugate PSi fabricated by applying a computer-generated pseudo-sinusoidal current waveform has been prepared for the application as a label-free biosensor based on porous silicon interferometer. The fabrication, optical characterization, and surface derivatization of a rugate PSi has been described. The method to fabricate biotinderivatized rugate PSi has been investigated. The surface and cross sectional morphology of rugate PSi are obtained with SEM. FT-IR spectroscopy is used to characterize the oxidation and functionalization reaction of rugate PSi sample. Binding of the avidin into the biotin-derivatized rugate PSi induces a change in refractive index. A red-shift of reflectivity by 18 nm in the reflectivity spectrum is observed, when the biotin-modified rugate PSi was exposed to a flow of avidin.
In the past decade, we have observed rapid advances in the development of biochips in many fields including medical and environmental monitoring. Biochip experiments involve immobilizing a ligand on a solid substrate surface, and monitoring its interaction with an analyte in a sample solution. Metal nanoparticles can display extinction bands on their surfaces. These charge density oscillations are simply known as the localized surface plasmon resonance (LSPR). The high sensitivity of LSPR has been utilized to design biochips for the label-free detection of biomolecular interactions with various ligands. LSPR-based optical biochips and biosensors are easy to fabricate, and the apparatus cost for the evaluation of optical characteristics is lower than that for the conventional surface plasmon resonance apparatus. Furthermore, the operation procedure has become more convenient as it does not require labeling procedure. In this paper, we review the recent advances in LSPR research and also describe the LSPR-based optical biosensor constructed with a core-shell dielectric nanoparticle biochip for its application to label-free biomolecular detections such as antigen-antibody interaction.
Ko, Kwanhwi;Seo, Younghee;Im, Seongmin;Lee, Hongki;Park, Ji Young;Chang, Won Seok;Kim, Donghyun
Korean Journal of Optics and Photonics
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v.33
no.6
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pp.331-337
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2022
Raman spectroscopy is an optical technique that can identify molecules in a label-free manner, and is therefore heavily investigated in various areas ranging from biomedical engineering to materials science. Probe-based Raman spectroscopy can perform minimally invasive chemical analysis, and thus has potential as a real-time diagnostic tool during surgery. In this study, Raman experimentation was calibrated by examining the Raman shifts with respect to the concentrations of chemical substances. Raman signal characteristics, targeted for normal mice and cerebral tissues of the 5xFAD dementia mutant model with accumulated amyloid beta plaques, were measured and analyzed to explore the possibility of diagnosis of Alzheimer's disease. The application to the diagnosis of dementia was cross-validated by measuring Raman signals of amyloid beta. The results suggest the potential of Raman spectroscopy as a diagnostic tool that may be useful in various areas of application.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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