Biosensor Kapasitif Nanokomposit Zeolit-Oksida Besi Lanjutan untuk Deteksi Sepsis IL-3 yang Cepat
Abstrak
Sepsis adalah kondisi kritis yang melibatkan respons fisik terhadap infeksi mikroba parah dan dapat menyebabkan masalah kesehatan yang fatal serta mengancam nyawa. Sepsis terjadi ketika kimia yang dilepaskan sistem kekebalan tubuh ke aliran darah untuk melawan infeksi, yang menyebabkan inflamasi dan mengarah pada keadaan darurat medis. Dalam penelitian ini, nanokomposit kompleks zeolit longitudinal dan oksida besi diekstraksi dari abu terbang tambang batu bara dan digunakan untuk meningkatkan karakteristik permukaan biosensor kapasitif guna mengidentifikasi serangan sepsis. Anti-interleukin-3 (anti-IL-3) antisatwa ditempel pada permukaan elektroda kapasitif kompleks zeolit dan oksida besi melalui penghubung amine untuk berinteraksi dengan biomarker sepsis IL-3. Komponen morfologi dan kimia nanokompleks dianalisis menggunakan FESEM, FETEM, dan EDX. Pada ukuran sekitar 30 nm, nanokomposit zeolit longitudinal dan oksida besi membantu mencapai batas deteksi IL-3 sebesar 3 pg/mL pada kurva linier, dengan koefisien regresi (R2) 0,9673 [y = 1.638x − 1.1847]. Batas deteksi yang lebih rendah dicapai pada rentang bergantung pada dosis (3–100 pg/mL) karena jumlah antisatwa yang lebih banyak terimmobilisasi pada permukaan sensor berkat nanomaterial dan arus permukaan yang ditingkatkan. Selanjutnya, eksperimen kontrol dengan biomolekul yang relevan tidak menunjukkan perubahan kapasitansi, sedangkan penambahan IL-3 dalam serum manusia meningkatkan kapasitansi, yang mengindikasikan deteksi IL-3 yang spesifik dan selektif. Studi ini mengidentifikasi dan mengkuantifikasi IL-3 melalui metode yang potensial berguna dan membantu dalam diagnosis serangan sepsis.
Pendahuluan
Sepsis adalah kondisi fatal yang terjadi ketika tubuh merespons infeksi secara parah [1]. Akibat serangan sepsis, tubuh menghasilkan tingkat lebih tinggi dari biomolekul sinyal yang disebut 'sitozin', yang menarik sel kekebalan tubuh. Semakin banyak sel ini, semakin banyak sitozin yang dihasilkan, dan badai sitozin merekrut lebih banyak sel kekebalan tubuh. Alih-alih mengendalikan infeksi awal, faktor kekebalan tubuh justru menyerang organ dan jaringan tubuh. Selain itu, infeksi ini memicu reaksi rantai di seluruh tubuh dan menyebabkan gagal organ serta kerusakan jaringan [2]. Khususnya, sepsis dimulai di paru-paru, kulit, saluran kemih, dan saluran pencernaan dan menyebar luas ke organ lain, yang mengakibatkan cedera organ. Oleh karena itu, diperlukan untuk menghentikan proses ini lebih awal untuk mencegah serangan pada organ lain. Identifikasi sepsis pada tahap awal dengan biomarker yang sesuai membantu memberikan perawatan segera pada pasaran dan menyelamatkan nyawa. Peneliti menemukan bahwa faktor inflamasi interleukin-3 (IL-3) adalah prediktor independen serangan sepsis dan kematian yang dihasilkan oleh sel B aktivator respons innate (IRA) setelah aktivasi reseptor Toll-like. Selain itu, ditemukan bahwa tingkat IL-3 yang lebih tinggi berasosiasi dengan tingkat mortalitas yang lebih tinggi pada pasien sepsis dan dikonfirmasi bahwa IL-3 memainkan peran utama dalam regulasi kekebalan dan respons yang lebih tinggi terhadap kortikosteroid selama sepsis. Penelitian ini bertujuan untuk mengkuantifikasi tingkat IL-3 menggunakan sensor elektrokimia kapasitif yang dimodifikasi dengan nanokomposit zeolit-oksida besi.
Deteksi biomolekul dengan biosensor sangat bergantung pada immobilisasi molekul target atau deteksi pada permukaan elektroda transduser [3]. Jumlah yang lebih besar dari probe tangkapan yang diimmobilisasi dengan orientasi yang tepat mengarah pada batas deteksi target yang lebih rendah [4]. Dalam sebagian besar kasus, immobilisasi probe tangkapan dilakukan melalui adsorpsi fisik, interaksi elektrostatik, penautan kovalen, dan perangkap biomolekul dengan polimer [5, 6]. Mungkin sulit untuk mencapai reproduktibilitas dan biokompatibilitas biomolekul yang diimmobilisasi dengan metode immobilisasi di atas. Khususnya, pemasangan molekul tangkapan yang lebih kecil seperti RNA, DNA, aptamer, dan peptida pada permukaan sensor sulit dilakukan [7, 8]. Berbagai peneliti telah menggunakan teknik yang berbeda untuk immobilisasi yang efisien. Akhir-akhir ini, nanomaterial sangat menarik untuk digunakan dalam proses immobilisasi biomolekul pada permukaan sensor [9, 10, 11]. Nanopartikel emas telah berhasil diimmobilisasi pada berbagai permukaan sensor, seperti substrat ELISA polistiren dan elektroda aluminium, dan telah menangkap molekul potensial, termasuk antisatwa, protein, DNA, dan aptamer. Selain silika, aluminium dan grafen adalah bahan yang biasa digunakan untuk immobilisasi biomolekul. Nanomaterial ini meningkatkan jumlah molekul tangkapan dan menghasilkan biokompatibilitas serta stabilitas biomolekul pada permukaan sensor, yang membantu meningkatkan strategi deteksi. Akhir-akhir ini, bahan anorganik seperti zeolit, lempung, dan sol–gel telah menarik perhatian peneliti untuk memecahkan masalah ini. Selain itu, sintesis nanomaterial dengan pendekatan yang lebih ramah lingkungan sangat didorong karena keuntungan besar yang terkait, seperti tidak melibatkan bahan berbahaya dan lebih murah [12, 13, 14, 15]. Selain itu, pendekatan yang disesuaikan dapat digunakan untuk mencapai ukuran dan bentuk nanomaterial yang diinginkan. Studi saat ini sejalan dengan pendekatan ini dan menghasilkan nanomaterial zeolit yang dikombinasikan dengan besi terisolasi untuk menciptakan nanokomposit.
Zeolit adalah aluminosilikat mikroporos kristalin yang terdiri dari tetrahedra TO4 dan atom O [16]. Zeolit adalah bahan yang menjanjikan untuk immobilisasi biomolekul karena luas permukaan yang lebih besar, kemampuan pertukaran ion, hidrofobisitas/hidrofilisitas yang dapat dikontrol, dan konduktivitas mekanis dan termal yang tinggi. Oleh karena itu, berbagai studi di bidang biosensor telah dirancang menggunakan bahan zeolit untuk proses immobilisasi biomolekul dan mencapai batas deteksi yang lebih rendah untuk mengembangkan biosensor seperti sensor glukosa dan sensor urea [17, 18, 19]. Sebagai upaya serupa, nanomaterial besi meningkatkan efek properti pertukaran kation dan memberikan respons cepat terhadap perubahan arus saat berinteraksi dengan biomolekul. Nanokomposit zeolit-oksida besi dengan komposisi unik yang digunakan dalam studi ini meningkatkan kinerja sensor yang tinggi, sekaligus memberikan sensitivitas yang ditingkatkan karena peningkatan konduktivitas. Studi ini berfokus pada nanomaterial zeolit-besi yang diekstraksi dari abu terbang tambang batu bara dan menggunakannya sebagai substrat elektroda kapasitif untuk mengimmobilisasi probe tangkapan, yaitu antisatwa anti-IL-3. Dibandingkan dengan deteksi interleukin yang berbeda yang dimediasi oleh nanomaterial sebelumnya [20, 21, 22], sistem sensor saat ini memberikan perbaikan dalam beberapa cara. Misalnya, kesesuaiannya yang lebih tinggi untuk sensor elektrokimia memerlukan lebih sedikit langkah eksperimental, dan menampilkan kesesuaian untuk fungsionalisasi kimia permukaan serta kemampuan non-fouling yang tinggi.
Biosensor kapasitif adalah sensor elektrokimia yang dibuat dengan mencatat tarikan antara probe dan target yang berinteraksi pada permukaan elektroda. Biosensor kapasitif membantu mengukur perubahan lapisan dielektrik pada antarmuka elektroda ketika molekul target terikat dengan probe yang diimmobilisasi pada permukaan sensor [23]. Kapasitansi antara elektroda dan elektrolit dijelaskan oleh C = (2nε0εA)/d, di mana ε: konstanta dielektrik, A: luas permukaan piring, ε0: permitivitas ruang bebas, n: jumlah jari berulang, dan d: ketebalan lapisan isolasi [24, 25]. Biosensor kapasitif nonfaradik membantu menghindari denaturasi protein yang disebabkan oleh metalisasi dan meningkatkan interaksi ikatan antara target dan probe [26, 27]. Berbagai studi telah menggunakan biosensor kapasitif untuk mengidentifikasi berbagai molekul target, termasuk nukleotida, logam berat, protein, dan molekul organik [23, 28, 29, 30, 31]. Dalam penelitian ini, eksperimen biosensor kapasitif nonfaradik dilakukan pada permukaan elektroda yang dimodifikasi zeolit-besi. Zeolit-besi ditempel pada elektroda kapasitif melalui (3-aminopropyl)-trimetoksisilane sebagai penghubung amine, dan kemudian anti-IL-3 ditempel pada permukaan melalui tarikan antara permukaan amine dan grup karboksil (COOH) antisatwa. Elektroda yang dimodifikasi antisatwa anti-IL-3 digunakan untuk mengkuantifikasi IL-3 dan mendiagnosis serangan sepsis.
Bahan dan Metode
Alat dan Reagen
Abu terbang diterima dari pembangkit listrik termal di India. Natrium hidroksida dan asam sulfat dibeli dari Sigma Aldrich (Missouri, AS). (3-Aminopropyl)-trimetoksisilane (APTMS) diterima dari Merck (NJ, AS). Kertas filter Whatman diperoleh dari Thermo Fisher Scientific (Massachusetts, AS). IL-3 dan antisatwa anti-IL-3 diterima dari Santa Cruz Biotechnology (Texas, AS). Mikroskopi elektron emisi lapangan (FESEM; Hitachi, S-4300 SE, Jepang) dan mikroskopi transmisi elektron emisi lapangan (FETEM; JEM-2100F, JEOL, Jepang) digunakan untuk menganalisis nanomaterial zeolit-besi dengan metode yang telah diuraikan sebelumnya [32].
Sintesis Nanomaterial Zeolit-Besi
Nanomaterial zeolit-besi disintesis menggunakan besi, silika, dan alumina yang diekstraksi dari abu terbang. Tiga langkah utama terlibat dalam prosedur ini: (1) pemisahan partikel besi; (2) ekstraksi natrium aluminosilikat; dan (3) penyusunan nanopartikel zeolit-besi dengan metode sintesis sol–gel.
Pemisahan Besi dari Abu Terbang
Alihkan 25 g abu terbang dicampur dengan 500 µL air tisu dan diaduk selama 30 menit menggunakan pengacau magnetik. Partikel besi yang menempel pada pengacau magnetik dipisahkan, dan kemudian 1 g partikel terpisah dicampur dengan asam sulfat 25% dan diaduk selama 1 jam pada 50 °C. Kemudian, larutan yang mengandung besi dan partikel besi dipisahkan menggunakan kertas filter Whatman dan digunakan sebagai dasar untuk oksida besi dalam sintesis nanomaterial zeolit-besi.
Ekstraksi Natrium Aluminosilikat dari Abu Terbang
Metode ekstraksi alkaline digunakan untuk mengekstrak natrium aluminosilikat dari abu terbang dengan metode ekstraksi alkaline [33]. Pertama, 25 g abu terbang yang telah dipisahkan dari besi dicampur dengan 500 µL natrium hidroksida 2 M dan dipanaskan pada 100 °C dengan pengacauan selama 6 jam. Setelah larutan dingin, natrium aluminosilikat (larutan dalam campuran) dipisahkan menggunakan kertas filter Whatman. Larutan terfilter digunakan sebagai dasar untuk menyintesis zeolit.
Sintesis Nanomaterial Zeolit-Besi dengan Metode Sol–Gel
Besi yang diekstraksi dan natrium aluminosilikat digunakan sebagai dasar untuk menyintesis nanomaterial zeolit-besi dengan metode sol–gel. Pada langkah pertama, beaker yang berisi 200 mL natrium aluminosilikat pada pH 12 ditempatkan pada pemanas bawah di bawah pengacauan. Kemudian, larutan dititrasi dengan larutan besi pada pH 1 dengan menambahkan larutan besi secara titik-titik hingga mencapai pH 7. Pada pH 7, gel putih terbentuk, dan gel ini diaduk secara berkelanjutan selama semalam untuk mendapatkan nanopartikel zeolit-besi yang terdistribusi secara merata. Besoknya, gel dipisahkan dengan sentrifugasi (10.000×g selama 10 menit) dan kemudian dicuci dengan etanol 25% dan air tisu. Produk akhir dikeringkan pada 100 °C selama 1 jam untuk mendapatkan serbuk yang terdiri dari nanomaterial zeolit-besi. Permukaan nanomaterial zeolit-besi dikarakterisasi dengan FETEM dan FESEM. Analisis X-ray dispersif energi (EDX) juga dilakukan untuk mengidentifikasi elemen dalam zeolit-besi.
Modifikasi Amine Zeolit-Besi dan Fungsionalisasi Permukaan Elektroda Kapasitif
Amine dilapisi pada permukaan zeolit-besi dengan agen penghubung silana APTMS. Untuk ini, 1 g zeolit-besi dicampur dengan KOH 1% selama 10 menit, dan kemudian KOH berlebih dihapus dengan air tisu. Setelah itu, zeolit-besi yang telah dirawati KOH dicampur dengan APTMS 1%, dan campuran ditempatkan pada pengacau pemanas selama semalam. Besoknya, nanomaterial dicuci dengan etanol dan dipisahkan dengan sentrifugasi (10.000×g selama 10 menit). Zeolit-besi APTMS ini ditempel pada permukaan elektroda kapasitif untuk mengidentifikasi IL-3. Untuk immobilisasi ini, zeolit-besi APTMS ditetapkan pada elektroda yang telah dihidroksilasi dan disimpan pada suhu ruangan selama 3 jam. Ikatannya antara nanokomposit oksida besi zeolit, APTMS, dan permukaan sensor disebabkan oleh penghubung silana dengan grup oksida yang dihasilkan. Secara umum, penghubung silana terjadi dengan beberapa lengan yang tersedia untuk grup oksida, menghasilkan ikatan antara nanokomposit oksida besi zeolit, APTMS, dan permukaan sensor. Karena ikatan ganda ini, susunan spasial terbentuk pada permukaan sensor. Setelah mencuci permukaan dengan etanol diikuti air, dilakukan proses immobilisasi antisatwa anti-IL-3 untuk berinteraksi dengan IL-3.
Penentuan IL-3 pada Permukaan Elektroda Kapasitif yang Dimodifikasi Anti-IL-3
Permukaan yang dijelaskan di atas dibentuk melalui penambatan amine, yang memungkinkan reaksi dengan grup COOH yang tersedia saat antisatwa melekat. IL-3 diidentifikasi pada permukaan elektroda kapasitif yang diimmobilisasi antisatwa anti-IL-3. Untuk ini, IL-3 pada 100 pg/mL diencerkan dalam larutan PBS dan ditetapkan pada permukaan elektroda yang dimodifikasi antisatwa. Setelah immobilisasi antisatwa, permukaan yang tidak terikat yang tersisa diblokir oleh PEG-COOH (1 mg/ml). Reaksi yang serupa dengan antisatwa-APTMS terjadi ketika PEG-COOH ditempel. Nilai kapasitansi dicatat sebelum dan setelah berinteraksi dengan IL-3. Perbedaan nilai dipertimbangkan untuk ikatan IL-3 dengan antisatwanya. Selain itu, untuk menghitung batas deteksi, IL-3 dititrasi dari 3 hingga 50 pg/mL dan ditetapkan secara independen pada permukaan yang dimodifikasi antisatwa. Prosedur eksperimental lainnya dilakukan seperti yang dijelaskan sebelumnya. Perbedaan nilai kapasitansi untuk setiap konsentrasi IL-3 dihitung dan digambarkan untuk menghitung deteksi IL-3 dengan nilai R2. Saat IL-3 melekat pada permukaan yang diimmobilisasi antisatwa, akan terjadi interaksi yang geni.
Biofouling dan Penentuan Selektif IL-3 pada Permukaan Elektroda Kapasitif yang Dimodifikasi Zeolit-Besi
Eksperimen biofouling dilakukan di bawah tiga kondisi biomolekul yang berbeda, termasuk keberadaan antisatwa non-imun atau protein kontrol dan kehadiran antisatwa IL-3. Dalam kasus pertama, alih-alih antisatwa IL-3, digunakan antisatwa non-imun; dalam eksperimen kedua, alih-alih IL-3, digunakan protein kontrol; dan eksperimen terakhir dilakukan tanpa antisatwa IL-3. Nilai kapasitansi dibandingkan untuk interaksi spesifik antisatwa IL-3 dengan IL-3. Eksperimen selektif dilakukan dengan menyuntik IL-3 dalam cairan serum manusia yang diencerkan 1:100 dan menambahkannya secara titik-titik pada permukaan elektroda yang dimodifikasi anti-IL-3. Perubahan kapasitansi dicatat untuk setiap konsentrasi IL-3 untuk mengidentifikasi deteksi selektif IL-3. Reproduktibilitas dikonfirmasi dengan mengulang eksperimen tiga kali (dalam triplikat) dengan perangkat serupa yang dibuat dari batch pembuatan yang sama. Masa penyimpanan dan stabilitas probe yang diimmobilisasi pada permukaan juga ditentukan.
Hasil dan Pembahasan
Sepsis adalah kondisi dengan banyak kimia yang dilepaskan dalam sistem kekebalan tubuh, dan memicu inflamasi yang luas dengan kerusakan organ sebagai hasil akhirnya. Gambar 1a menunjukkan ilustrasi skematis identifikasi IL-3 pada permukaan elektroda kapasitif yang dimodifikasi anti-IL-3 untuk menentukan kondisi yang terkait dengan sepsis. Zeolit-besi yang dimodifikasi APTMS digunakan untuk melekatkan antisatwa tangkapan pada permukaan elektroda sensor. APTMS pada permukaan zeolit-besi diimmobilisasi pada permukaan elektroda melalui interaksi antara amine pada nanomaterial dan grup OH pada permukaan elektroda. Gambar 1b mengonfirmasi keutuhan permukaan elektroda pada sensor kapasitif, seperti yang ditangkap di bawah mikroskop daya tinggi. Antisatwa ditautkan pada permukaan melalui COOH dan amine zeolit-besi. Zeolit-besi membantu melekatkan jumlah APTMS yang lebih banyak pada elektroda sensor, yang membantu menangkap lebih banyak antisatwa pada permukaan elektroda kapasitif. Berbagai studi telah menunjukkan bahwa immobilisasi probe tangkapan pada permukaan sensor memainkan peran penting dalam menurunkan batas deteksi molekul target. Dalam penelitian ini, nanomaterial zeolit-besi digunakan untuk melekatkan antisatwa anti-IL-3 pada permukaan elektroda sensor. Immobilisasi antisatwa anti-IL-3 yang lebih tinggi dengan orientasi yang tepat membantu mencapai batas deteksi IL-3 yang lebih rendah.
a Ilustrasi skematis identifikasi IL-3 pada permukaan sensor kapasitif yang dimodifikasi anti-IL-3. Zeolit-besi yang dimodifikasi APTMS digunakan untuk melekatkan antisatwa tangkapan dan kemudian berinteraksi dengan IL-3. PEG-COOH digunakan sebagai agen pemblokir. b Analisis morfologi permukaan sensor kapasitif dengan mikroskop daya tinggi. c Analisis morfologi zeolit-besi dengan FESEM. Nanomaterial terbentuk dengan distribusi seragam dan dalam dimensi longitudinal. d Analisis EDX. Kehadiran elemen utama Si, Al, Fe, dan O ditemukan. Inset gambar diperoleh dengan FESEM dengan pemesinan rendah
Analisis Morfologi Nanomaterial Zeolit-Besi dengan FESEM dan FETEM
Gambar 1c, d (inset) menampilkan gambar morfologi nanomaterial zeolit-besi yang diperoleh dari FESEM pada pemesinan berbeda dan analisis elemen EDX. Nanomaterial zeolit-besi yang diperoleh halus dan terdistribusi seragam, dengan struktur nano longitudinal yang tertumpuk rapat. Ukuran struktur nano ini sekitar 30 nm, dan gambar yang diperoleh menunjukkan bahwa nanokomposit disusun dengan bentuk yang seragam dan terdistribusi dengan baik pada jarak yang tepat. Gambar FETEM juga membuktikan bentuk yang serupa dengan yang diperoleh oleh FESEM untuk nanokomposit zeolit-besi yang terbentuk (Fig. 2a, b). Hasil EDX mengonfirmasi kehadiran Fe, Al, Si, dan O dalam nanokomposit zeolit-besi yang disintesis (Fig. 2c, d). Persentase atom elemen utama Si, Al, Fe, dan O masing-masing ditemukan sebesar 3,46, 0,78, 2,13 dan 24,39%. Hasil FESEM dan EDX ini mengonfirmasi terbentuknya nanomaterial zeolit-besi.
Gambar FETEM zeolit-besi pada skala a 50 nm dan b 200 nm. Nanomaterial terbentuk dengan distribusi seragam. c Analisis EDX yang mengonfirmasi kehadiran elemen utama Si, Al, Fe, C, dan O
Persiapan Elektroda Sensor untuk Penentuan IL-3
Immobilisasi antisatwa anti-IL-3 pada biosensor kapasitif dikonfirmasi dengan mengubah tingkat kapasitansi setelah setiap immobilisasi biomolekul. Gambar 3a menunjukkan perubahan kapasitansi selama proses pemasangan antisatwa pada permukaan yang dimodifikasi zeolit-besi. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3a, permukaan elektroda kapasitif yang dirawati KOH menunjukkan nilai kapasitansi 1,74 × 1009 nF, dan setelah penambahan titik-titik zeolit-besi APTMS, nilai meningkat menjadi 2,02 × 1009 nF. Peningkatan kapasitansi ini mengonfirmasi pelepasan nanomaterial pada elektroda sensor. Selain itu, saat menambahkan antisatwa anti-IL-3, nilai kapasitansi meningkat secara signifikan menjadi 3,42 × 1009 nF. Peningkatan yang lebih tinggi ini dicatat karena jumlah immobilisasi antisatwa yang lebih banyak pada zeolit-besi yang dimodifikasi APTMS. Selain itu, nanomaterial menunjukkan susunan yang tepat dengan jumlah APTMS yang lebih banyak pada permukaan elektroda sensor, yang pada akhirnya menarik lebih banyak antisatwa. Akhirnya, PEG-COOH ditambahkan untuk tujuan pemblokiran, dan kapasitansi ditemukan meningkat hingga 3,64 × 1009 nF. Sensor bekerja berdasarkan perubahan muatan permukaan dan pada akhirnya perubahan kapasitansi. Perubahan muatan permukaan bervariasi dengan pelepasan/interaksi molekul. Setiap molekul membawa muatan yang berbeda dan mempengaruhi kapasitansi sensor. Oleh karena itu, perbedaan kapasitansi dipertimbangkan untuk pengukuran. Perubahan kapasitansi yang lebih tinggi dicatat karena okupasi antisatwa IL-3 yang lebih tinggi pada permukaan elektroda sensor (Gambar 3b). PEG-COOH membantu mengurangi ikatan non-spesifik IL-3 pada permukaan elektroda sensor dan menghilangkan hasil positif palsu. Berbagai studi telah membuktikan bahwa polimer berbasis PEG pada permukaan sensor meningkatkan biokompatibilitas, mengurangi rasio sinis-derau, dan memberikan orientasi yang tepat dari biomolekul yang diimmobilisasi pada permukaan sensor, yang mengarah pada batas deteksi sensor yang lebih rendah [34, 35, 36, 37]. Karena permukaan APTMS menarik biomolekul lain secara elektrostatik, PEG-COOH digunakan untuk menutup permukaan APTMS berlebih pada nanomaterial zeolit-besi, yang membantu mengurangi biofouling. Permukaan yang dimodifikasi anti-IL-3 ini digunakan untuk mengidentifikasi IL-3.
a Proses pemasangan antisatwa pada permukaan yang dimodifikasi zeolit-besi. nilai kapasitansi meningkat setelah setiap immobilisasi molekul. b Perbedaan kapasitansi. Immobilisasi antisatwa anti-IL-3 menunjukkan perubahan yang lebih tinggi pada nilai kapasitansi. Nilai dirata-ratakan menggunakan tiga bacaan sebagai triplikat. [Zeolite-IO—Zeolit oksida besi]
Penentuan dan Kuantifikasi IL-3 pada Permukaan Antisatwa Anti-IL-3
IL-3 dikuantifikasi pada permukaan sensor elektroda kapasitif yang dimodifikasi anti-IL-3. Awalnya, konsentrasi IL-3 yang lebih tinggi (100 pg/mL) diuji pada permukaan yang dimodifikasi antisatwa, dan nilai kapasitansi meningkat dari 3,74 × 1010 nF menjadi 13 × 1010 nF. Peningkatan ini mengonfirmasi interaksi IL-3 dengan antisatwa anti-IL-3 (Gambar 4a). Eksperimen serupa dilakukan dengan konsentrasi IL-3 3 hingga 50 pg/mL. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4b, nilai kapasitansi meningkat menjadi 4,56 × 1010 nF, 5,84 × 1010 nF, 6,64 × 1010 nF, 8,39 × 1010 nF, dan 12 × 1010 nF. Tercatat bahwa seiring dengan peningkatan konsentrasi IL-3, nilai kapasitansi meningkat secara bertahap (Gambar 5a). Perbedaan nilai kapasitansi dihitung dan digambarkan dalam lembar Excel, dan deteksi IL-3 dihitung sebesar 3 pg/mL dengan nilai R2 0,9673 (Gambar 5b). Respons linier bergantung pada dosis dengan berbagai konsentrasi IL-3 (3–100 pg/mL) ditemukan saat berinteraksi dengan anti-IL-3. Namun, saat dititrasi pada konsentrasi lebih lanjut, sampel menjadi terpuas.
Penentuan IL-3 pada permukaan yang dimodifikasi anti-IL-3. a Identifikasi 100 pg/mL IL-3. Perubahan kapasitansi yang jelas dicatat setelah penambahan titik-titik IL-3. Inset gambar menampilkan skematis. b Titrasi berbagai konsentrasi IL-3 pada antisatwa anti-IL-3. Dengan semua konsentrasi IL-3, perubahan kapasitansi dicatat
a Nilai kapasitansi untuk setiap konsentrasi IL-3. Peningkatan konsentrasi IL-3 menghasilkan peningkatan bertahap pada nilai kapasitansi. b Perbedaan nilai kapasitansi untuk setiap konsentrasi IL-3. Nilai digambarkan dalam lembar Excel, dan batas deteksi IL-3 dihitung sebesar 3 pg/mL. Nilai dirata-ratakan menggunakan tiga bacaan sebagai triplikat
Biofouling/Nonfouling pada Elektroda Kapasitif yang Dimodifikasi APTES-Zeolit-Besi
Biofouling adalah masalah terbesar dalam semua jenis biosensor, yang mengarah pada identifikasi positif palsu target pada permukaan sensor. Agen pemblokir seperti BSA, etanolamina, dan polimer berbasis PEG adalah molekul umum yang mengurangi biofouling pada permukaan sensor. Di sini, PEG-COOH digunakan sebagai agen pemblokir, dan efek biofouling dikonfirmasi dalam tiga eksperimen kontrol yang berbeda, yaitu, tanpa antisatwa IL-3, dengan antisatwa non-imun, dan dengan protein kontrol (IL-8). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6a, ketiga eksperimen kontrol gagal meningkatkan nilai kapasitansi, yang mengindikasikan identifikasi spesifik IL-3 tanpa biofouling apa pun.
a Deteksi spesifik IL-3. Molekul kontrol tidak menunjukkan peningkatan nilai kapasitansi, yang mengindikasikan deteksi spesifik IL-3. b Penyuntikan IL-3 dalam serum manusia. Penyuntikan dalam serum manusia meningkatkan kapasitansi seiring dengan peningkatan konsentrasi IL-3. Hasil ini mengonfirmasi deteksi selektif IL-3. Nilai dirata-ratakan menggunakan tiga bacaan sebagai triplikat
Penyuntikan IL-3 dalam Serum Manusia dan Stabilitas
Berbagai konsentrasi IL-3 disuntikkan dalam serum manusia dan dipertapkan pada prosedur eksperimental yang sama untuk mengidentifikasi IL-3 dalam situasi nyata. Seperti yang ditampilkan pada Gambar 6b, IL-3 yang disuntikkan dalam serum manusia jelas menghasilkan nilai kapasitansi yang meningkat dengan konsentrasi IL-3 yang ditingkatkan. Hasil ini mengonfirmasi identifikasi selektif IL-3 oleh elektroda kapasitif yang dimodifikasi anti-IL-3.
Mempertimbangkan reproduktibilitas, permukaan sensor berperforma baik dengan nilai error minimal. Masa operasional nanomaterial yang ditempel pada permukaan sensor yang dibuat dapat diperpanjang selama tiga bulan dengan penyimpanan yang tepat dalam desikator. Namun, setelah melekatkan probe, permukaan stabil selama 2 minggu dan cenderung kehilangan 19% stabilitas, dan kehilangan stabilitas menjadi tajam mulai minggu ketiga. Untuk membuktikan kinerja tinggi sensor saat ini, studi perbandingan telah dilakukan dengan sensor yang tersedia saat ini, dan hasilnya menunjukkan bahwa itu setara dan berperforma lebih baik dalam beberapa kasus (Tabel 1).
Kesimpulan
Sepsis mengancam nyawa, melibatkan reaksi kekebalan tubuh yang meluas, sangat berbahaya dan mempengaruhi seluruh tubuh. Studi ini mendemonstrasikan identifikasi biomarker sepsis (IL-3) pada elektroda kapasitif. Nanomaterial zeolit-besi diekstraksi dari elektroda kapasitif yang dimodifikasi abu terbang batu bara untuk meningkatkan arus saat ikatan biomolekul pada elektroda sensor. Modifikasi amine dilakukan untuk melekatkan antisatwa anti-IL-3 pada zeolit-besi. Deteksi IL-3 dilakukan pada elektroda yang dimodifikasi antisatwa dan mencapai batas deteksi IL-3 sebesar 3 pg/mL. Eksperimen kontrol lebih lanjut gagal menunjukkan peningkatan nilai kapasitansi, yang mengonfirmasi deteksi spesifik IL-3, dan eksperimen selektif dengan IL-3 yang disuntikkan dalam serum manusia menampilkan peningkatan kapasitansi yang jelas. Metode eksperimental ini mengkuantifikasi tingkat IL-3 dan membantu mendiagnosis serangan sepsis.
