Direct Electrical Transduction of Antibody Binding to a Covalent Virus Layer Using Electrochemical Impedance

Abstract

Electrochemical impedance spectroscopy is used to detect the binding of a 148.2 kDa antibody to a "covalent virus layer" (CVL) immobilized on a gold electrode. The CVL consisted of M13 phage particles covalently anchored to a 3 mm diameter gold disk electrode. The ability of the CVL to distinguish this antibody ("p-Ab") from a second, nonbinding antibody ("n-Ab") was evaluated as a function of the frequency and phase of the measured current relative to the applied voltage. The binding of p-Ab to the CVL was correlated with a change in the resistance, reducing it at low frequency (1-40 Hz) while increasing it at high frequency (2-140 kHz). The capacitance of the CVL was virtually uncorrelated with p-Ab binding. At both low and high frequency, the electrode resistance was linearly dependent on the p-Ab concentration from 20 to 266 nM but noise compromised the reproducibility of the p-Ab measurement at frequencies below 40 Hz. A "signal-to-noise" ratio for antibody detection was computed based upon the ratio between the measured resistance change upon p-Ab binding and the standard deviation of this change obtained from multiple measurements. In spite of the fact that the impedance change upon p-Ab binding in the low frequency domain was more than 100 times larger than that measured at high frequency, the S/N ratio at high frequency was higher and virtually independent of frequency from 4 to 140 kHz. Attempts to release p-Ab from the CVL using 0.05 M HCl, as previously described for mass-based detection, caused a loss of sensitivity that may be associated with a transition of these phage particles within the CVL from a linear to a coiled conformation at low pH.

Virus−Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) Composite Films for Impedance-Based Biosensing

“…From these early studies, an active subfield of phage-mediated biosensing is rapidly emerging (for recent reviews, see:5,6). Previously, we have investigated electrochemical biosensors in which a covalently attached layer of the filamentous phage, M13, is employed as the bioaffinity matrix on a planar gold electrode 7–9. In these devices, the virus layer is attached to the gold surface via a self-assembled thiolate monolayer 9.…”

Die Anwendung von Viren in Chemo‐ und Biosensoren

“…[137,138,152,153] Eine Schicht von M13-Phagen wurde dabei zunächst unter Bildung einer kovalent gebundenen Virusschicht (covalent virus layer, CVL) auf der Oberfläche einer Goldelektrode verankert. [152] Dann wurde die Impedanz dieser CVL-beschichteten Elektrode in Kontakt mit verschiedenen Konzentrationen von Anti-M13-Phage-Antikörpern (p-Ab) in einer Pufferlösung bei Frequenzen zwischen 0.1 und 1 MHz gemessen, um die elektrochemische Antwort der CVL auf p-Ab zu ermitteln.…”

“…Die ¾nderung der ohmschen Impedanz (DZ re , bezogen auf die Impedanz der ursprünglichen CVL-beschichteten Elektrode) war bei hohen Frequenzen (zwischen 4 und 140 kHz) direkt proportional zur p-Ab-Konzentration in Lösung (Abbildung 10). [137] Wurde der nichtbindende Anti-FLAG-M2-Antikörper (n-Ab) als Analyt verwendet, so war DZ re praktisch unabhängig von der Antikörper-Konzentration. Folglich bietet sich die EIS in Kombination mit Phagen als ein selektives und hoch empfindliches Nachweisverfahren für p-Ab an Abbildung 9.…”

“…¾nderung der ohmschen Impedanz DZ Re mit der Konzentration eines Anti-Phage-Antikörpers (p-Ab) und eines nichtbindenden Antikörpers (n-Ab). [137] Sensoren auf Virenbasis Angewandte Chemie (Abbildung 10). Die Methode liefert außerordentlich reproduzierbare Ergebnisse.…”

“…Die Methode liefert außerordentlich reproduzierbare Ergebnisse. [137] Wird beim "Biopanning" das prostataspezifische Membranantigen (PSMA) als Analyt für M13-Phagen eingesetzt, so kann man einen Phagen identifizieren, der PSMA spezifisch bindet. Ein EIS-Biosensor mit einer CVL aus solchen Phagen eignet sich für den selektiven PSMA-Nachweis.…”