Ultrafast Real-Time PCR in Photothermal Microparticles

光热治疗 超短脉冲 纳米技术 材料科学 光学 物理 激光器
作者
Bong Kyun Kim,Sang‐Ah Lee,Minju Park,Eui Ju Jeon,Mi Jung Kim,Jeong‐Ki Min,Heesuk Kim,Seungwon Jung,Sang Kyung Kim
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:16 (12): 20533-20544 被引量:54
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c07017
摘要

As the turnaround time of diagnosis becomes important, there is an increasing demand for rapid, point-of-care testing (POCT) based on polymerase chain reaction (PCR), the most reliable diagnostic tool. Although optical components in real-time PCR (qPCR) have quickly become compact and economical, conventional PCR instruments still require bulky thermal systems, making it difficult to meet emerging needs. Photonic PCR, which utilizes photothermal nanomaterials as heating elements, is a promising platform for POCT as it reduces power consumption and process time. Here, we develop a photonic qPCR platform using hydrogel microparticles. Microparticles consisting of hydrogel matrixes containing photothermal nanomaterials and primers are dubbed photothermal primer-immobilized networks (pPINs). Reduced graphene oxide is selected as the most suitable photothermal nanomaterial to generate heat in pPIN due to its superior light-to-heat conversion efficiency. The photothermal reaction volume of 100 nL (predefined by the pPIN dimensions) provides fast heating and cooling rates of 22.0 ± 3.0 and 23.5 ± 2.6 °C s-1, respectively, enabling ultrafast qPCR within 5 min only with optical components. The microparticle-based photonic qPCR facilitates multiplex assays by loading multiple encoded pPIN microparticles in a single reaction. As a proof of concept, four-plex pPIN qPCR for bacterial discrimination are successfully demonstrated.
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