A terahertz metamaterial biosensor for sensitive detection of microRNAs based on gold-nanoparticles and strand displacement amplification

多重位移放大 生物传感器 胶体金 太赫兹辐射 核酸 检出限 超材料 材料科学 太赫兹光谱与技术 纳米颗粒 线性范围 纳米技术 化学 DNA 聚合酶链反应 光电子学 色谱法 基因 生物化学 DNA提取
作者
Ke Yang,Jining Li,Marc Lamy de la Chapelle,Guorong Huang,Yunxia Wang,Jinbao Zhang,Degang Xu,Jianquan Yao,Yang Xiang,Weiling Fu
出处
期刊:Biosensors and Bioelectronics [Elsevier]
卷期号:175: 112874-112874 被引量:129
标识
DOI:10.1016/j.bios.2020.112874
摘要

Terahertz (THz) spectroscopy has drawn great interest for the functional and conformational investigations of nucleic acids, but its intrinsic sensitivity hinders potential bio-sensing applications. Here, a novel THz biosensor was developed for detecting microRNA (miRNA) samples based on metamaterials coupled with nanoparticles and strand displacement amplification (SDA). In this method, the SDA reaction amplifies the target miRNA and generates copious yields of secondary DNA molecules (Trigger DNA), which are subsequently conjugated to metallic nanoparticles that form nanoparticle-Trigger DNA complexes. These complexes produce remarkable frequency shifts of metamaterials when linked to a large refractive index metallic nanoparticle like Au. The dependence of the metamaterial resonance on the nanoparticle diameter and metal type was investigated experimentally and theoretically. Under optimal conditions, the THz metamaterial biosensor presents good detection sensitivity with a limit of detection of 14.54 aM and exhibits a linear response for miRNA-21 at a concentration range from 1 fM to 10 pM. By measuring the miRNA-21 in spiked clinical serum samples, the sample recoveries were determined to be in the range between 90.92% and 107.01%. These findings demonstrate that the novel THz biosensor offers the capability for highly sensitive miRNA detection, with noteworthy potential applications in nucleic acid analysis and cancer diagnosis.
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