Perangkat portabel berbasis penginderaan termal plasmonik untuk deteksi dan kuantifikasi uji aliran lateral

Bahan dan Metode

Bahan dan Reagen

Phosphate-buffered saline (PBS) dibeli dari Lonza®. N-(3-Dimethylaminopropyl)-N-ethylcarbodiimide hydrochloride (EDC) dan polietilen glikol heterobifungsional (HS-PEG-COOH, MW =5000 g/mol (5 kDa)) dibeli dari SIGMA®. Tween 20, Triton X100, albumin serum sapi (BSA), trehalosa, poli-vinil-pirolidon (PVP), N -hidroksisulfosuksinimida (S-NHS), natrium hidroksida, natrium klorida, emas(III) klorida hidrat, dan hormon HCG dibeli dari Aladdin®. Sukrosa, natrium tetraborat dekahidrat, asam borat, kalium iodida, dan natrium tiosulfat pentahidrat dibeli dari Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. Sodium borohydride dibeli dari Shanghai Lingfeng Chemical Reagent Co., Ltd. Anti-αHCG, anti-βHCG dan anti -antibodi sekunder tikus, membran nitroselulosa (NC-a110), bantalan sampel (serat kaca BX108), bantalan konjugasi (serat kaca BX101), dan permukaan polivinil klorida (PVC) dibeli dari JieyYiBiotech™. 4-Morpholineethanesulfonic acid (MES) dibeli dari Shanghai Majorbio. Etanol murni dibeli dari Changshu Yangyuan Chemical Co., Ltd.

Sintesis Nanopartikel (Nanoprisma Emas, AuNPrs)

Nanopartikel yang digunakan dalam penelitian ini diperoleh dengan menggunakan variasi dari protokol kami yang dilaporkan sebelumnya [25] yang kemudian ditingkatkan [26]. Secara singkat, volume 220 mL 0,5 mM Na₂ S₂ O₃ dilengkapi dengan 20 μL 0,1 M KI. Kemudian, 110 mL larutan tersebut di atas secara bertahap ditambahkan ke dalam larutan yang mengandung 2 mM HAuCl₄ selama 30 s dan diinkubasi pada suhu kamar hingga total waktu 4 min, saat di mana larutan dilengkapi dengan 110 mL sisa Na₂ S₂ O₃ + larutan KI selama 30 detik dan diinkubasi lagi selama 4 menit. Akhirnya, 100 mL Na₂ S₂ O₃ tanpa KI ditambahkan ke larutan yang dihasilkan dan diinkubasi selama 60 menit pada suhu kamar untuk mendapatkan nanopartikel berbentuk prisma akhir. Semua langkah inkubasi yang dijelaskan sebelumnya dilakukan tanpa pengocokan. Setelah sintesis, nanopartikel distabilkan dengan PEG (PEGylation). Jumlah PEG yang ditambahkan ke nanopartikel disiapkan dalam rasio 1:2 (NP terhadap PEG) dari total berat emas yang digunakan dalam sintesis. PEG diencerkan dalam 1 mL air Milli-Q, dan volume NaBH yang ditentukan₄ kemudian ditambahkan untuk mencapai rasio molar 1:1 PEG terhadap NaBH₄ . Seluruh volume PEG ke NaBH₄ solusi benar-benar ditambahkan ke AuNPrs dan disesuaikan dengan pH-12 dengan 2 M NaOH di bawah pencampuran ringan. Akhirnya, larutan disonikasi selama 60 menit pada 60 ° C dan kemudian disentrifugasi selama 15 menit pada 4400 G pada suhu kamar untuk memisahkan AuNPrs dari PEG berlebih dan bahan yang tidak bereaksi. Pelet disuspensikan kembali dalam air Milli-Q dan disentrifugasi tiga kali selama 9 menit pada 4400 G pada suhu kamar. Sampel akhir ini diencerkan menjadi seperempat dari volume aslinya agar dapat dituang pada suhu kamar selama beberapa minggu. Setelah waktu ini, lapisan atas larutan (mengandung sebagian besar produk sampingan emas nanometrik yang lebih kecil dan lebih ringan) dapat dihilangkan dari AuNPrs yang mengendap di bagian bawah. Konsentrasi nanopartikel diperoleh dengan mengukur absorbansinya (OD) pada 400 nm dengan spektroskopi UV-Vis dan menerapkan faktor konversi (ε) sebesar 11,3 mL mg ⁻¹ cm ⁻¹ . Nilai ini diperoleh secara eksperimental dengan mengkorelasikan konsentrasi emas yang diperoleh ICP dengan OD pada 400 nm oleh UV-Vis dari produk akhir sintesis.

Konjugasi Nanopartikel dengan Antibodi Anti-HCG

Secara singkat, 3 mL larutan yang mengandung 0,5 mg/mL nanopartikel PEGylated dicuci tiga kali dengan buffer 0,1 M MES pH 5,5 dengan sentrifugasi selama 9 min pada 6000 rpm dalam microfuge mini-spin pada suhu kamar. Nanopartikel yang dicuci terakhir disuspensikan kembali dalam volume akhir 1 mL dari buffer yang sama (0,1 M buffer MES pH 5,5), dan 4 mg EDC dan S-NHS ditambahkan ke larutan. Sampel kemudian diinkubasi selama 20 min di bawah pencampuran ringan, disentrifugasi selama 9 min pada 6000 rpm min, dan dicuci dengan buffer MES. Kemudian, 20 μL stok antibodi (200 μg) ditambahkan ke sampel dan diinkubasi 3 h pada 37 °C diikuti dengan inkubasi kedua semalaman pada 4 °C (tanpa pengocokan). Keesokan harinya, nanopartikel terkonjugasi disentrifugasi (9 min pada 6000 rpm) dan dicuci dua kali dengan buffer borat 5 mM pH-9. Kemudian, 25 mg BSA ditambahkan ke dalam larutan. Setelah inkubasi 1 jam pada suhu kamar di bawah pengocokan ringan, sampel dicuci (9  menit pada 6000 rpm) dengan buffer borat yang dilengkapi dengan Tween 20 (5 mM pH 9) dan akhirnya disimpan pada suhu 4 °C hingga penggunaan lebih lanjut tidak lebih dari 4 jam. –5 hari.

Setelah persiapan nanopartikel, perakitan strip uji dilakukan (dijelaskan dalam ESI).

Memuat Partikel Nano pada Membran Strip

Untuk memuat nanopartikel pada membran strip, konsentrasi stok asli nanopartikel PEGylated (tanpa antibodi) diperoleh dan serangkaian pengenceran dilakukan dalam air Milli-Q, menghasilkan kisaran konsentrasi dari 0 (air Milli-Q murni tanpa nanopartikel) hingga 10 OD/mL untuk konsentrasi maksimum, yang sesuai dengan 0,9 mg/mL menurut faktor konversi yang sebelumnya dicirikan oleh ICP-AES. Demi kesederhanaan dan ekstrapolasi, nilai OD lebih disukai daripada konsentrasi berat. Jadi, 2 μL dari masing-masing pengenceran tersebut ditambahkan dengan mikropipet langsung pada membran nitroselulosa dari strip dan dibiarkan kering pada suhu kamar selama ~ 2 h. Strip kering disimpan pada suhu kamar sebelum uji iradiasi.

Untuk mendeteksi antigen HCG dalam strip, serangkaian pengenceran analit (HCG) dilakukan di PBS. Setiap strip dijalankan dengan memuat 5 μL AuNPr terkonjugasi dengan antibodi anti-HCG ke dalam bantalan konjugat, dan 50 μL pengenceran yang diperlukan yang mengandung HCG. Strip dikeringkan dengan cara yang sama seperti pada pengujian sebelumnya.

Pengembangan Perangkat Portabel

Perangkat portabel (Gbr. 1a dan File tambahan 1:Gambar S1) dirakit menggunakan teknologi sistem tertanam dan komponen yang dipasang di permukaan, karena ukurannya kecil dan hemat biaya. Komposisi prototipe ditunjukkan pada Gambar. 1b. Motherboard (File tambahan 1:Gambar S1) adalah modul inti perangkat, yang berfungsi untuk memproses data dan mengontrol komponen lainnya. Modul ini terutama terdiri dari MCU STM32F407, yang memiliki memori besar dan operasi daya rendah. Sirkuit konversi tegangan dirancang pada motherboard untuk menyediakan suplai tegangan yang benar untuk setiap modul di perangkat.

Detail perangkat portabel. a Perangkat portabel berbasis penginderaan termal plasmonic. b Diagram komposisi perangkat keras motherboard, modul laser dan penginderaan, dan antarmuka pengguna. c Kartrid untuk strip

Lima antarmuka diterapkan pada motherboard untuk koneksi dengan modul lain. Sensor suhu terhubung ke motherboard melalui antarmuka IIC untuk menerima sinyal suhu yang dikirimkan oleh sensor. Untuk pengukuran suhu yang akurat, kami memilih sensor suhu dengan output digital. Sensor untuk mode konduksi adalah sensor semikonduktor (ADT7420, Analog Devices) dengan resolusi suhu 16-bit (0,0078 °C) dan konsumsi daya rendah (700 μW). Dalam mode radiasi, kami menggunakan termometer inframerah (MLX90614, Melexis) dengan resolusi suhu 17-bit dan konsumsi daya 3,9 mW. Antarmuka antara modul kontrol laser dan motherboard terdiri dari rangkaian kontrol relai untuk memastikan manajemen dioda laser yang akurat sekaligus melindungi motherboard dari arus tinggi. Modul laser terdiri dari tiga komponen:(1) komponen kontrol laser (File tambahan 1:Gambar S1), (2) dioda laser (Thorlabs, M9-A64-0200) yang menyediakan sumber cahaya dengan panjang gelombang 1064 nm dan output daya maksimum optik 200 mW, dan (3) lensa asferis (Thorlabs, 354330-C) yang dipasang di modul laser untuk menyatukan cahaya yang dipancarkan oleh dioda laser ke area 1 mm × 2,5 mm. Komponen-komponen ini memungkinkan untuk secara akurat menerangi garis uji pada strip. Layar sentuh LCD (TaoJinChi Corporation TJC4827K043_01RN, 480 × 272 piksel) digunakan untuk menyediakan antarmuka pengguna grafis. Antarmuka 4 papan dibiarkan untuk mengunduh dan men-debug program. Antarmuka USB dipasang di perangkat, yang berfungsi sebagai port pengisian daya untuk baterai dan port komunikasi antara perangkat dan komputer eksternal opsional. Prototipe ini didukung oleh baterai lithium 10.000 mAh. Program di MCU dikompilasi oleh perangkat lunak IAR (versi 7.5.2.10505). Antarmuka pengguna grafis dirancang menggunakan perangkat lunak USART HMI.

Desain Wadah Prototipe dan Kartrid Strip Uji

Untuk memastikan bahwa perangkat mudah digunakan dan portabel, cangkang dan kartrid cetak 3D dirancang, meningkatkan kemampuan anti-interferensi dan stabilitas perangkat. Resin berwarna putih digunakan sebagai bahan untuk casing dan kartrid. Software Solidworks 2018 digunakan untuk desainnya.

Kotak berbentuk kubus (File tambahan 1:Gambar S2a) dan pelat bawah persegi panjang (File tambahan 1:Gambar S2b) dirancang untuk perangkat sesuai dengan bentuk komponen internal. Casing berbentuk kubus menyediakan posisi pemasangan tetap untuk layar LCD dan modul kontrol dioda laser. Sebuah slot persegi panjang di sisi rumah digunakan untuk memasukkan kartrid strip uji. Pelat bawah dilengkapi dengan baterai dan dasar pemasangan motherboard, yang memungkinkan komponen diikat ke pelat bawah tanpa bergerak. Semua bagian deteksi dipasang di pelat bawah. Bingkai pendukung untuk sensor dan kartrid strip dipasang di pelat bawah, membuatnya saling bersentuhan. Sebuah trek bergerak fine-tuning disediakan untuk dioda laser dan lensa yang memungkinkan memperbaiki dan menyesuaikan jarak. Ukuran keseluruhan casing adalah 133 mm × 108 mm × 73 mm.

Kartrid khusus (Gbr. 1c, 15 mm × 4 mm × 70 mm) dirancang untuk melindungi strip uji. Kartrid memiliki tiga jendela, satu untuk memuat sampel dan dua lagi untuk visualisasi jalur uji dan jalur kontrol, masing-masing. Jendela garis tes dirancang sedikit lebih kecil dari lebar strip tes untuk memastikan bahwa laser tidak dapat melewati strip tes dan mempengaruhi deteksi sensor. Takik belakang dibuat di bagian belakang kartrid yang memungkinkan sensor konduktif untuk sepenuhnya menyentuh bagian belakang strip pada posisi garis uji sambil memastikan bahwa sensor radiasi dapat mendeteksi suhu dengan benar.

Algoritma untuk Penginderaan Termal dan Perhitungan Parameter

Karena laser menyinari nanopartikel, panas dihasilkan di jalur uji yang menyebabkan perubahan suhu yang dapat dideteksi. Generasi panas ini (Q , M/m ³ ) tergantung pada konsentrasi nanopartikel (C , OD/mL), area iluminasi (A , m ² ), dan intensitas laser (I , M/m ² ) [22], menurut rumus berikut:

Sinyal termal (suhu) dikumpulkan ketika laser menyinari strip. Karena area iluminasi dan intensitas laser dijaga konstan, sinyal termal berubah dengan jumlah nanopartikel yang mengikat pada garis uji. Untuk kuantifikasi pembangkitan panas, dua metode dibandingkan. Yang pertama menggunakan perubahan suhu (File tambahan 1:Gambar S3) untuk mengukur sinyal termal. Variasi suhu (∆T ) dihitung untuk penentuan:

dimana T _akhir adalah suhu akhir (maksimum) yang dicapai pada akhir penyinaran dan T ₀ adalah suhu lingkungan awal yang dicatat oleh sensor sebelum dimulainya penyinaran. Metode lain menggunakan perhitungan kuantitatif area di bawah kurva (AUC, file tambahan 1:Gambar S3). Metode ini membagi kurva menjadi trapesium menurut frekuensi sampling 10 Hz diikuti dengan perhitungan penjumlahan semua trapesium. Sinyal termal diperoleh dengan membagi area dengan waktu deteksi (t _det ):

Saat menerapkan kedua metode dalam pendeteksian, analisis AUC memberikan pengulangan kuantifikasi yang lebih baik (File tambahan 1:Gambar S4). Oleh karena itu, analisis AUC dipilih untuk digunakan dalam kuantifikasi panas akhir.

Untuk mengevaluasi kinerja metode deteksi yang berbeda, kami menilai LOD kuantifikasi. Dalam setiap percobaan, kami mengukur satu konsentrasi untuk empat sampel (empat strip, n =4). Mengingat simpangan baku (σ₀ ) dari grup kosong dan sensitivitas (S ) yang merupakan kemiringan kurva standar dalam rentang linier, kami mengevaluasi LOD sebagai berikut:

Prosedur Pengujian

Seluruh prosedur pengujian terdiri dari tiga langkah utama:(1) pengumpulan data, (2) deteksi dan perolehan hasil, dan (3) tampilan dan penyimpanan hasil. Pertama, strip uji dimuat ke dalam kartrid dan dimasukkan ke dalam perangkat. Pengukuran dilakukan hanya dengan menekan tombol deteksi dan mengetik informasi pasien (opsional, kode anonim dapat dimasukkan sebagai gantinya). Informasi ditransmisikan ke unit mikrokontroler (MCU) dan disimpan. Kemudian, MCU mengaktifkan sensor suhu dan dioda laser untuk memulai pengujian. Sementara itu, data suhu yang diterima oleh MCU dikirim ke LCD untuk ditampilkan dan diplot secara real-time. Setelah deteksi, MCU menghitung nilai AUC dan menampilkan hasilnya di layar.

Hasil dan Diskusi

Karakterisasi Nanopartikel

Spektrum UV-Vis nanoprim terkonjugasi ditunjukkan pada Gambar. 2a, menunjukkan bahwa puncak maksimum adalah pada 1130 nm. Absorbansi AuNPr pada panjang gelombang laser (1064 nm) adalah 92% persen dari absorbansi maksimum pada 1130 nm. Gambar SEM dan TEM (Gbr. 2b, c) dikumpulkan untuk memvisualisasikan morfologi nanopartikel, mengkonfirmasi sebagian besar bentuk segitiga.

Karakterisasi nanoprim emas. a Spektrum UV-Vis dari nanopartikel. Gambar representatif dari nanopartikel tak terkonjugasi yang divisualisasikan oleh b SEM dan c TEM

Pengoptimalan Kondisi Pengukuran di Perangkat

Dalam penginderaan termal, waktu deteksi dan jarak dari dioda laser ke garis uji adalah faktor utama yang mempengaruhi respon sinyal [27, 28]. Kedua faktor tersebut dipelajari untuk mengoptimalkan kondisi pengukuran. Untuk optimasi waktu iradiasi, kami menyinari strip selama 10 menit dan mencatat perubahan suhu masing-masing oleh kedua sensor. Seperti dapat dilihat dari Gambar. 3a, suhu terus meningkat dalam 10  menit, tetapi kenaikan suhu mulai mencapai dataran tinggi setelah 120 s. Hasil ini sesuai dengan penelitian sebelumnya di mana tren serupa diamati pada perubahan sinyal termal dengan waktu [28]. Mempertimbangkan persyaratan POCT dan konsumsi daya, waktu deteksi perangkat disetel ke 120 detik.

Optimasi penginderaan termal. a Perubahan suhu dalam 10 menit penyinaran. b Sinyal termal pada jarak penyinaran yang berbeda

Kemudian dilakukan optimasi jarak. Gambar 3b menunjukkan bahwa sinyal termal menurun dengan meningkatnya jarak antara dioda laser dan garis uji. Alasannya mungkin karena daya laser yang mencapai garis uji dilemahkan karena jarak meningkatkan area penyinaran yang efektif. Untuk mendapatkan respons sinyal maksimum, jarak disetel ke 7 mm.

Pengaruh Suhu Ambient pada Penginderaan Termal

Karena penginderaan termal berkaitan erat dengan suhu, maka perlu dilakukan penelitian bagaimana pengaruh suhu lingkungan terhadap penginderaan termal. Suhu lingkungan berkisar antara 27,5 hingga 40 °C menggunakan inkubator. Sebanyak 4 sampel diukur pada setiap titik suhu dengan selang waktu 2,5 °C. Kurva suhu lingkungan versus sinyal termal diukur untuk strip kosong dan 1 OD/mL masing-masing dengan kedua metode penginderaan termal. Parameter kurva penyesuaian suhu lingkungan ditunjukkan pada Tabel 1. Gambar 4a menunjukkan bahwa dalam mode konduksi, kemiringan kurva umumnya konsisten untuk konsentrasi yang berbeda, menunjukkan bahwa perubahan suhu lingkungan memiliki efek yang sama pada konsentrasi yang berbeda. Akibatnya, kurva efek ambien dapat digunakan untuk mengkalibrasi hasil kuantitatif. Dalam mode radiasi, kemiringan kurva (Gbr. 4b) yang sesuai dengan dua konsentrasi konsisten satu sama lain, tetapi kedua kurva menunjukkan tren menurun. Hasilnya menunjukkan bahwa mode konduksi lebih andal saat mengukur sampel dalam kondisi dengan variabilitas suhu tinggi.

Pengaruh suhu lingkungan. a Sinyal termal berubah dengan suhu sekitar dalam mode konduksi. b Sinyal termal berubah dengan suhu sekitar dalam mode radiasi

Kuantifikasi Nanopartikel

Deteksi Penginderaan Panas

Untuk mendapatkan kurva kuantifikasi standar, dua metode penginderaan termal (File tambahan 1:Gambar S5) digunakan masing-masing untuk mendeteksi strip uji yang mengandung nanopartikel pada kisaran 0 hingga 10 OD/mL. Strip tersebut (File tambahan 1:Gambar S6a) yang mengandung konsentrasi nanopartikel yang berbeda dideteksi oleh perangkat portabel yang disebutkan (lihat bagian “Bahan dan Metode”). Pengaturan kedua sensor di perangkat disajikan dalam File tambahan 1:Gambar S5a dan S5b. Empat sampel diuji untuk setiap konsentrasi pada suhu sekitar 27,5 °C. Perangkat menerapkan metode AUC untuk menghitung sinyal termal pada jalur uji. Oleh karena itu, kuantifikasi sinyal termal sebanding dengan jumlah nanopartikel pada garis uji. Kurva kuantifikasi (Gbr. 5a) dihasilkan oleh regresi linier dari data yang diperoleh dari sinyal termal terhadap konsentrasi nanopartikel dan diwakili oleh rumus pada Tabel 2.

Kuantifikasi nanopartikel. a Kurva kuantifikasi standar dalam tiga metode. b Hasil kuantitatif dalam konsentrasi rendah dengan kurva linier

Tabel 2 menunjukkan bahwa sensitivitas mode radiasi 15 kali lipat lebih tinggi daripada mode konduksi. LOD mode konduksi dan radiasi masing-masing adalah 0,053 OD/mL dan 0,023 OD/mL. Dalam penginderaan termal, mode radiasi meningkatkan batas deteksi (LOD) sebanyak 2 kali lipat dibandingkan dengan mode konduksi. Stabilitas strip LFA juga diuji seperti yang digambarkan dalam file tambahan 1:Gambar S7. Mode penginderaan termal konduktif membutuhkan transfer panas antara dua padatan. Ketika suhu garis uji dinaikkan dengan cepat, dibutuhkan waktu (waktu relaksasi) bagi sensor untuk mencapai suhu yang sama dengan garis uji. Akibatnya, suhu sensor lebih rendah dari suhu sebenarnya di garis uji pada akhir deteksi. Di sisi lain, mode radiasi tidak memerlukan transfer panas ke sensor, karena sensor langsung mendeteksi gelombang IR yang disinari oleh garis uji untuk mendapatkan suhu saat ini. Dalam mode deteksi konduksi, sebagian panas hilang karena adanya konduktor termal yang baik yang berfungsi sebagai heatsink, sedangkan dalam deteksi radiasi, hanya udara dan strip itu sendiri yang campur tangan dalam pembuangan panas. Alasan ini dapat menjelaskan bahwa sensitivitas metode konduksi lebih rendah daripada metode radiasi.

Saat menguji strip dengan konsentrasi 10 OD/mL, kami menemukan bahwa ada tanda terbakar menggunakan mode penginderaan radiasi (non-kontak). 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. a A linear curve between the logarithm of the HCG concentration and the thermal signal in radiation mode. b A linear curve between the logarithm of the HCG concentration and the thermal signal conduction mode. c The quantification results of HCG in radiation mode. d The quantification results of HCG in conduction mode

Kesimpulan

A plasmonic thermal sensing method for LFA detection was established. A portable device based on this method was developed by applying different temperature sensors (conduction and radiation modes). The study of the influence of the ambient temperature demonstrated that it has a negative impact on the thermal sensing and conduction mode was less affected than radiation mode. In radiation mode, the impact was more significant at high concentrations. Both modes were also tested to compare the quantification ability. When compared with the traditional visual detection, the thermal sensing methods showed a 5- to 12-fold improvement in LOD for nanoparticle quantification. The radiation mode showed a better performance than conduction mode in both sensitivity and LOD. In the validation of thermal sensing, LFA strips for the detection of HCG were tested and the results demonstrated that the radiation mode was much more sensitive than the conduction mode. In this way, we proved that thermal sensing is a feasible and effective way for early detection in LFA platforms.

In conclusion, plasmonic thermal sensing can truly improve the analytical sensitivity and shows a promising future in LFA detection for early diagnostic applications. The portable device described herein provided two sensing approaches to satisfy different requirements.

Ketersediaan Data dan Materi

Kumpulan data yang digunakan dan/atau dianalisis selama studi saat ini tersedia dari penulis terkait atas permintaan yang wajar.

Singkatan

AUC:

Area under the curve

AuNPrs:

Gold nanoprisms

BSA:

Albumin serum sapi

CCD:

Charge-coupled device

CMOS:

Complementary metal oxide semiconductor

HCG:

Human chorionic gonadotropin

LFA:

Lateral flow assay

LOD:

Batas deteksi

LSPR:

Resonansi plasmon permukaan lokal

MCU:

Microcontroller unit

MES:

4-Morpholineethanesulfonic acid

NIR:

Inframerah dekat

PBS:

Phosphate-buffered saline

POCT:

Pengujian di tempat perawatan

PVC:

Polyvinyl chloride

PVT:

Poly-vinyl-pyrrolidone

S-NHS:

T -Hydroxysulfosuccinimide

Pengaruh Pemanasan Joule Terhadap Karakteristik Sakelar Resistif Pada Sel AlOx yang Dibuat Oleh Formasi Oksidasi Termal Area Besar dan Array Titik-Nano yang Dapat Dipola dari Elektrolisis Film ITO untuk Spektroskopi Raman yang Ditingkatkan Permukaan