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Nanoparticle-Supported, Rapid, and Electronic Detection of SARS-CoV-2 Antibodies and Antigens at the Subfemtomolar Level

检出限 抗原 免疫分析 胶体金 抗体 生物传感器 一级和二级抗体 化学 色谱法 微流控 离心 试剂 纳米技术 材料科学 纳米颗粒 生物 免疫学 物理化学
作者
Yeji Choi,Seyedsina Mirjalili,Md Ashif Ikbal,Sean M. McClure,Mohammad Mohammadi,Scott Clemens,Jose Solano,John Heggland,Tingting Zhang,Jiawei Zuo,Chao Wang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (33): 30509-30524
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c12083
摘要

Major challenges remain to precisely detect low-abundance proteins rapidly and cost-effectively from diverse biofluids. Here, we present a gold nanoparticle (AuNP)-supported, rapid electronic detection (NasRED) platform with subfemtomolar sensitivity and high specificity. Surface-functionalized AuNPs act as multivalent detectors to recognize target antigens and antibodies through high-affinity binding, subsequently forming aggregates precipitated in a microcentrifuge tube and producing a solution color change. The residual floating AuNPs' optical extinction is digitized using customized circuitry incorporating inexpensive optoelectronics and feedback mechanisms for stabilized readout. NasRED introduces active fluidic forces through engineered centrifugation and vortex agitation, effectively promoting low-concentration protein detection and accelerating signal transduction. Using SARS-CoV-2 as a demonstration, NasRED enables detection of both antibodies and antigens from a small sample volume (6 μL), distinguishes the viral antigens from those of human coronaviruses, and delivers test results in <15 min. The limits of detection (LoDs) for antibody detection are approximately 49 aM (7 fg/mL) in phosphate-buffered saline (PBS), or >3000 times more sensitive than enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA), ∼76 aM (11 fg/mL) in human pooled serum and in the femtomolar range in diluted whole blood. For nucleocapsid protein detection, NasRED LoDs are ∼190 aM (10 fg/mL) in human saliva and ∼2 fM (100 fg/mL) in nasal fluid. Unlike centralized platforms, NasRED is a one-pot, in-solution assay without the needs for washing, labeling, expensive instrumentation, or highly trained operators. With low reagent costs and a compact system footprint, this modular digital platform is well-suited for accurate, near-patient diagnosis and screening of a wide range of infectious and chronic diseases.
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