Abstract This paper investigates the influence of magnetic nanoparticle (MNP) concentration on biomolecule detection with magnetic particle spectroscopy (MPS). Streptavidin-coated MNPs, dominated by Brownian relaxation, are used to detect biotinylated Immunoglobulin G (IgG). The conjugation of the biotinylated IgG onto the surface of the functionalized MNPs enlarges their hydrodynamic sizes, thus increasing the Brownian relaxation time and changing the MPS signal. Experimental samples are prepared with Brownian relaxation-dominated MNP samples with different mole concentrations from 6.67 to 0.67 nM and IgG samples with different mole concentrations from 0 to 8.33 nM. Experimental results of ac susceptibility spectra indicate that the Brownian relaxation time increases from 0.85 to 1.20 ms with decreasing the MNP concentration from 6.67 to 0.67 nM at a given IgG concentration of 5 nM. Experimental results of MPS show that the ratio of the 3rd to 1st harmonics decreases more significantly with increasing IgG concentration at a lower MNP concentration. The absolute variation in the ratio of 3rd to 1st harmonics of the MNPs is used to characterize the measurement sensitivity of IgG. It shows that the measurement sensitivity increases from 1.68 × 10−3 to 12.25 × 10−3 nM−1 at an excitation frequency of 180 Hz. This study demonstrates that a lower MNP concentration can improve the measurement sensitivity of biomolecules with MPS in the frequency range from 180 to 1418 Hz. We emphasize that our findings are of great importance to reach a highly sensitive approach for biomolecule detection.

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生物分子检测对磁性纳米粒子浓度的依赖性

摘要 本文研究了磁性纳米颗粒(MNP) 浓度对磁性颗粒光谱(MPS) 生物分子检测的影响。以布朗松弛为主的链霉亲和素包被的 MNP 用于检测生物素化免疫球蛋白 G (IgG)。生物素化 IgG 与功能化 MNP 表面的结合扩大了它们的流体动力学尺寸，从而增加了布朗弛豫时间并改变了 MPS 信号。实验样品由具有 6.67 至 0.67 nM 不同摩尔浓度的布朗弛豫主导的 MNP 样品和具有 0 至 8.33 nM 不同摩尔浓度的 IgG 样品制备。交流磁化率谱的实验结果表明，随着 MNP 浓度从 6.67 降低到 0，布朗弛豫时间从 0.85 增加到 1.20 ms。在给定的 5 nM IgG 浓度下为 67 nM。MPS 的实验结果表明，在较低的 MNP 浓度下，随着 IgG 浓度的增加，3 次谐波与 1 次谐波的比率下降得更显着。MNP 的 3 次谐波与 1 次谐波之比的绝对变化用于表征 IgG 的测量灵敏度。结果表明，在 180 Hz 的激励频率下，测量灵敏度从 1.68 × 10-3 增加到 12.25 × 10-3 nM-1。该研究表明，在 180 至 1418 Hz 的频率范围内，较低的 MNP 浓度可以提高具有 MPS 的生物分子的测量灵敏度。我们强调，我们的发现对于实现高度灵敏的生物分子检测方法非常重要。MPS 的实验结果表明，在较低的 MNP 浓度下，随着 IgG 浓度的增加，3 次谐波与 1 次谐波的比率下降得更显着。MNP 的 3 次谐波与 1 次谐波之比的绝对变化用于表征 IgG 的测量灵敏度。结果表明，在 180 Hz 的激励频率下，测量灵敏度从 1.68 × 10-3 增加到 12.25 × 10-3 nM-1。该研究表明，在 180 至 1418 Hz 的频率范围内，较低的 MNP 浓度可以提高具有 MPS 的生物分子的测量灵敏度。我们强调，我们的发现对于实现高度灵敏的生物分子检测方法非常重要。MPS 的实验结果表明，在较低的 MNP 浓度下，随着 IgG 浓度的增加，3 次谐波与 1 次谐波的比率下降得更显着。MNP 的 3 次谐波与 1 次谐波之比的绝对变化用于表征 IgG 的测量灵敏度。结果表明，在 180 Hz 的激励频率下，测量灵敏度从 1.68 × 10-3 增加到 12.25 × 10-3 nM-1。该研究表明，在 180 至 1418 Hz 的频率范围内，较低的 MNP 浓度可以提高具有 MPS 的生物分子的测量灵敏度。我们强调，我们的发现对于实现高度灵敏的生物分子检测方法非常重要。MNP 的 3 次谐波与 1 次谐波之比的绝对变化用于表征 IgG 的测量灵敏度。结果表明，在 180 Hz 的激励频率下，测量灵敏度从 1.68 × 10-3 增加到 12.25 × 10-3 nM-1。该研究表明，在 180 至 1418 Hz 的频率范围内，较低的 MNP 浓度可以提高具有 MPS 的生物分子的测量灵敏度。我们强调，我们的发现对于实现高度灵敏的生物分子检测方法非常重要。MNP 的 3 次谐波与 1 次谐波之比的绝对变化用于表征 IgG 的测量灵敏度。结果表明，在 180 Hz 的激励频率下，测量灵敏度从 1.68 × 10-3 增加到 12.25 × 10-3 nM-1。该研究表明，在 180 至 1418 Hz 的频率范围内，较低的 MNP 浓度可以提高具有 MPS 的生物分子的测量灵敏度。我们强调，我们的发现对于实现高度灵敏的生物分子检测方法非常重要。该研究表明，在 180 至 1418 Hz 的频率范围内，较低的 MNP 浓度可以提高具有 MPS 的生物分子的测量灵敏度。我们强调，我们的发现对于实现高度灵敏的生物分子检测方法非常重要。该研究表明，在 180 至 1418 Hz 的频率范围内，较低的 MNP 浓度可以提高具有 MPS 的生物分子的测量灵敏度。我们强调，我们的发现对于实现高度灵敏的生物分子检测方法非常重要。