Plasmonic-driven thermal sensing: Ultralow detection of Influenza Virus

Abstract

Laboratory Diagnosis plays an important role in many diseases’ management. Early diagnostic is the key to successful treatment providing care at the initial stages. It is especially important in diseases such as viral or bacterial infections and cancer, where time is a crucial factor. Reverse-transcripts real-time polymerase chain reaction (RT-PCR) is the gold standard technique for genetic material detection; however, this method takes several hours. On the other hand, Rapid Diagnostics Tests (RDTs) have been developed to provide quicker results but generally they suffer from lack of sensitivity. Point-of-care (POC) biosensors such as chip-based and paper-based biosensors are typical rapid, cost-effective, and user-friendly RDT, which can be used for genetic material detection. The combination of conventional POC biosensor, how is the lateral flow meth-odology, with nanomaterials aims to address the previously mentioned problems presented by RDTs. In our peculiar scenario, lateral flow systems have been combined with inorganic nanoparticles, as gold nanoprims (AuNPrs), to develop a novel ultrasensitive Calorimetric Lateral Flow Assay (C-LFA) for Flu A’s genetic material detection. Gold nanoprisms (AuNPrs) were biofunctionalized with different synthethic DNA oligo-nucleotides, complementary to some specific regions within the influenza virus genetic material, working with four different concentrations: [1/1] =1.36 × 10 −3 𝑚𝑀 ; [1/4] =3.4 × 10 −4 𝑚𝑀 ; [1/8] =1.7 × 10 −4 𝑚𝑀 ; [1/16] =8.5 × 10 −5 𝑚𝑀 . Due to their optical properties, AuNPrs can convert light into heat. The desired genetic material, RNA in this case, is further recognized by the AuNPrs and the capture biomolecule deposited on the nitrocellulose strip, the subsequent no visible test line irradiation with a NIR laser generates a visible spot in a thermosensitive paper than could can be further quantified. The test on spiked samples demonstrated that the AuNPrs biofunctionalized with oligonucleotides complementary to PB1 viral RNA segment for a concentra-tion of [1/16], presenting a sensitivity in femtomole (fmol) range in complex matrixes as DeltaLab and Bio-comma, respectively.

O diagnóstico laboratorial desempenha um papel importante na gestão de muitas doenças. O diagnós-tico precoce é a chave para um tratamento bem-sucedido, proporcionando cuidados nas fases iniciais. É espe-cialmente importante em doenças como as infeções virais ou bacterianas e o cancro, em que o tempo é um fator crucial. A transcrição inversa da reação em cadeia da polimerase em tempo real (RT-PCR) é a técnica de referência para a deteção de material genético; no entanto, este método demora várias horas. Por outro lado, os testes de diagnóstico rápido (RDT) foram desenvolvidos para fornecer resultados mais rápidos, mas geral-mente sofrem de falta de sensibilidade. Os biossensores de Point-of-Care (POC), tais como os biossensores baseados em chips e suporte de papel, são típicos RDTs, económicos e de fácil utilização, que podem ser utilizados para a deteção de material genético. A combinação de um biossensor POC convencional, como um sistema de fluxo lateral, com nanomateriais tem como objetivo resolver os problemas anteriormente mencio-nados apresentados pelos RDT. No nosso cenário peculiar, os sistemas de fluxo lateral foram combinados com nanopartículas inorgânicas, como os nanoprismas de ouro (AuNPrs), para desenvolver um novo ensaio de fluxo lateral calorimétrico (C-LFA) ultrassensível para a deteção do material genético do Flu A. Os AuNPrs foram biofuncionalizados com diferentes oligonucleótidos de ADN sintéticos, complementares a algumas re-giões específicas do material genético do vírus da gripe, trabalhando com quatro diferentes concentrações: [1/1] =1.36×10−3 𝑚𝑀; [1/4] =3.4×10−4 𝑚𝑀; [1/8] =1.7×10−4 𝑚𝑀; [1/16] =8.5×10−5 𝑚𝑀; para re-conhecer o material genético desejado e para serem utilizados como transdutores térmicos para o biossensor. Devido às suas propriedades óticas, as AuNPrs podem converter a luz em calor. O material genético desejado, neste caso RNA, é reconhecido pelas AuNPrs e a biomolécula capturada é depositada na tira de nitrocelulose. A subsequente irradiação sem linha de teste visível com um laser NIR gera um ponto visível num papel ter-mossensível que poderá ainda ser quantificado. O teste em amostras contaminadas demonstrou que as AuNPrs biofuncionalizadas com oligonucleótidos complementares ao segmento de RNA viral PB1 para uma concen-tração de [1/16], apresentam uma sensibilidade na gama de femtmol (fmol) em matrizes complexas como DeltaLab e Biocomma, respetivamente.