微小粒子画像流速計とDLVO解析を用いた無細胞液滴内の内部対流に対する抗体-抗原反応の影響の調査

Investigating the effect of antibody-antigen reactions on the internal convection in a sessile droplet via micro particle image velocimetry and DLVO analysis.

• Vidisha Singh Rathaur
• Satyendra Kumar
• Pradipta Panigrahi
• Siddhartha Panda

抄録

抗体を固定化した PDMS 基質上に抗原を吸着させた液滴を蒸発させる技術は、マイクロウェルに代えて検出目的で使用することができ、分析物の必要量が少なく、反応時間を短縮することができます。このような技術を開発するためには、反応効率や蒸発後の表面への抗原の沈着パターンに及ぼす様々なパラメータの影響を十分に理解する必要があります。生物流体の液滴の表面への蒸発による沈着パターンは、様々な生物医学的応用のために研究されているが、液滴に含まれる目的の分析物が表面に結合する系については、これまで研究されていない。これまで、無細胞液滴内の内部対流に及ぼす温度の影響は研究されてきたが、分析物（本研究では抗原）濃度や分析物-表面（本研究では抗原-抗体）結合が内部対流に及ぼす影響はこれまで研究されていなかった。そこで、本研究では、抗体固定化PDMS基板上のリン酸緩衝生理食塩水(PBS)中で、抗原濃度の異なるポリスチレン微小球(トレーサーとして使用)と一緒に、微小粒子画像流速計(PIV)を用いて、抗原濃度の異なる液滴の蒸発ダイナミクスを実験的に調べた。その結果、濃度勾配と表面反応によるマランゴニ流が観測された速度場の原因であることがわかった。抗体-抗原反応（表面反応なしのコントロールケースと比較して）と高濃度の前立腺特異抗原（PSA）は、マランゴニ対流の強さを増加させる結果となった。得られた異なる沈着パターンについてさらに詳しく知るために、異なる粒子-粒子-基質力の寄与を調べたところ、表面張力とDLVO力に加えてマランゴニ力が液滴内に存在する粒子の均一な沈着をもたらすことが観察された。このことは、バイオセンサーの設計にも応用できると考えられる。

Evaporation of antigen laden sessile droplets on antibody immobilized PDMS substrates could be used in place of microwells for detection purposes owing to lesser requirement of analyte and reduced reaction time. To develop such techniques, the effects of different parameters on the reaction efficiency and on the resulting deposition patterns of antigens on the surface after evaporation need to well understood. While the resultant deposition patterns from evaporation of droplets of biological fluids on surfaces are being studied for various biomedical applications, systems where the analyte of interest in the droplet binds to the surface have not been investigated till date. While the effect of temperature on the internal convection within sessile droplets has been studied, the effect of the analyte (antigen in this work) concentration and the analyte-surface (antigen-antibody in this work) binding on the internal convection has not been studied till now. Therefore, to get an insight, evaporation dynamics of sessile droplets with different concentrations of antigens along with polystyrene microspheres (used as tracers) in phosphate buffer saline (PBS) on antibody immobilized PDMS substrates were experimentally studied using micro particle image velocimetry (PIV). It was found that Marangoni flow due to concentration gradients and surface reactions was responsible for the observed velocity field. The antibody-antigen reaction (as compared to the control case of no surface reaction) and higher concentrations of prostate specific antigen (PSA) resulted in increased strength of Marangoni convection. To obtain further insight into the different deposition patterns obtained, the contribution of different particle-particle and particle-substrates forces were done; it was observed that the Marangoni forces along with surface tension and DLVO forces create a uniform deposition of the particles present within the droplet. This learning could be used for designing biosensors.