Optische Biosensoren

Optical Biosensing
JoVE Science Education
Bioengineering
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Science Education Bioengineering
Optical Biosensing

13,693 Views

09:39 min
April 30, 2023

Overview

Optische Biosensoren nutzen Licht, um die Bindung eines Zielmoleküls erkennen. Diese Sensoren nutzen können ein Label-Molekül, das ein messbares Signal wie Fluoreszenz produziert. Oder diese Sensoren können markierungsfreie, und verwenden Sie die Änderungen im optischen Eigenschaften, wie z. B. Brechungsindex, Sinn für die Bindung des Zielmoleküls. Dieses Video stellt Label und Label-freie optische Biosensoren, zeigt ihr Einsatz im Labor und zeigt einige Anwendungen der Technologie.

Procedure

Optische Biosensoren sind Sensoren, die eine biologische Ziel bzw. die Ziele von Interesse, die mit Hilfe von Licht zu erkennen. Diese Geräte haben Anwendungen in Medizin, Pharma, Umweltüberwachung, Homeland Security und sogar das Schlachtfeld gefunden. Optische Biosensoren sind weitgehend in Label-basierte und markierungsfreie Sensoren unterteilt. Ein Beispiel für Label-basierte Sensorik ist Polymerasekettenreaktion oder PCR, das Fluoreszenzmarkierungen oder Fluorophore, verwendet, um die verstärkte Ziel DNA quantifizieren. Ein Beispiel einer markierungsfreie Methode ist Surface Plasmon Resonance oder SPR Hier wird die unveränderte Biomoleküle Interaktion mit der Sensorfläche quantifiziert durch die Messung eines wesentliches Merkmals des Sensors, wie der Winkel der Reflexion. Dieses Video-Rezension die Grundlagen für diese Arten von optische Biosensoren Techniken und seine kritische Komponenten, die Arbeitsprinzipien und gängige Anwendungen von optische Biosensoren.

Zuerst schauen Sie wir uns den allgemeinen Grundsätzen des Label-basierte optische Biosensoren. In der Regel wird eine Sonde oder Biorecognition Element, wie ein kostenloses Antikörper auf die Sensoroberfläche mit traditionellen Immobilisierung Chemie befestigt. Die Beispiellösung fließt dann über die Sensoren Oberfläche. Das Zielmolekül, das komplementär zu der immobilisierten Biorecognition Element ist, wird von der komplexen Probenlösung selektiv erfasst. Dann wird die überschüssige Beispiellösung mit Puffer oder Wasser abgewaschen. Als nächstes um zu visualisieren und die Menge des gebundenen Ziel zu quantifizieren, eine sekundäre Molekül, das kostenfrei zum Ziel und an einem Fluorophore, fließt durch das System. Nach einiger Zeit, wenn Bindung des zweiten Moleküls zum Ziel aufgetreten ist, wird der überschüssige ungebundene Fluorophor weggewaschen. Die gebundenen Fluorophor Intensität kann dann mit einem fluoreszierenden Mikroskop quantifiziert werden. Diese Intensität wird zuerst gezeichnet, für verschiedene bekannte Ziel-Konzentrationen zu eine Kalibrierkurve erstellen, die dann für direktes Maß für eine unbekannte Anzahl an erbeuteten Ziel ermöglicht. Daher verwenden Label-basierte Techniken der Fluoreszenzintensität von äußerst sensiblen Fluorophore, um die Konzentration der das Biomolekül von Interesse zu quantifizieren.

Nun, da wir die Grundsätze der Label-basierte optische Biosensoren überprüft haben, werfen wir einen Blick auf eine häufig verwendete Beispiel, der aktuelle Standard für DNA Verstärkung, Quantitative PCR oder qPCR. Die qPCR Reaktion Mischung enthält eine markierte Sonde für Echtzeit-Reaktion Quantifizierung. Die Sonde Sequenz wird an fluoreszierenden Reporter und Quencher Moleküle und bindet an eine bestimmte DNA-Sequenz. Der Quencher Molekül stillt das Fluorophor Emission während beide an der Sonde angebracht sind. Während der PCR-Reaktion das Enzym Polymerase verschlechtert sich die Sonden-DNA und körperlich trennt den Fluorophor-Reporter, verhindert so abschrecken und was zu einem Anstieg in Fluoreszenz. Um qPCR durchzuführen, zunächst alle Komponenten der Reaktion, einschließlich die beschrifteten Prüfspitzen in ein PCR-Röhrchen hinzufügen oder gut. Als nächstes legen Sie die PCR-Brunnen in einer spezialisierten Thermocycler und geben Sie die Parameter für jeden Zyklus und die Anzahl der Zyklen. Die Thermocycler für qPCR verwendet enthält eine Lichtquelle mit der erforderlichen optischen Komponenten auf einer Wellenlänge und ein Detektor zur Messung der Fluoreszenzintensität in Echtzeit während der PCR-Reaktion auswählen. Am Ende eines jeden thermischen Zyklus die fluoreszente Intensität aufgrund der veröffentlichten Fluorophore erfasst und dargestellt. Die fluoreszente Intensität ist direkt proportional zum Logarithmus der Zielkonzentration in der Reaktion gut, und so für eine bekannte Fluoreszenz, die unbekannte Zielkonzentration berechnet.

Schauen Sie wir uns nun wie Fernerkundung ohne jeden Reporter, wie Fluorophore, mit erreicht werden kann markierungsfreie optische Fernerkundung Techniken. Die Immobilisierung des Biorecognition Elements entspricht markierungsfreie Techniken das Label-basierte Technik. Pfändungen Biomolekül an die Oberfläche dieser Sensoren ändert den Brechungsindex in unmittelbarer Nähe des optischen Gerätes. Die Zielmoleküle binden an die Oberfläche der funktionalisierten optisches Gerät bildet eine dünne Schicht und weitere Änderung des Brechungsindex. Diese Veränderungen in der Brechungsindex können überwacht werden, indem Sie die Änderung in der natürlichen Frequenz des Vibration oder die Resonanzfrequenz des Systems verfolgen. Der Unterschied in der Resonanzfrequenzen vor und nach dem Ziel binden, das f-UMSCHALT genannt ist direkt proportional zur Konzentration des erfassten Ziels.

Nun werfen wir einen Blick auf die grundlegenden Prinzipien der häufig verwendete markierungsfreie optische Abtastung Technik, Surface Plasmon Resonance oder SPR Ein typisches Instrument der SPR verbindet eine bewegliche Laserquelle, ein optischer Detektor für Mess Intensität Shift und einen Sensor-Chip mit einem Glasprisma einseitig mit Gold beschichtet. Das Prisma Gold bedeckt ist mit fluidischen System ermöglicht einen Durchströmung Betrieb integriert. In einem Experiment, die Sondenmolekül oder Biorecognition Element ist die Goldoberfläche beigefügt. Das Zielelement dann fließt über die Oberfläche und bindet an die immobilisierten Sonde. Sensing nutzt das SPR-Phänomen. Dies tritt auf, wenn polarisiertes Licht auf die Oberfläche aus Metall, wie Gold, in einem bestimmten Winkel Theta SPR angezeigt wird Dies führt zu der Generation von Oberflächenplasmonen die kohärente Elektronen Schwingungen sind, die an der Schnittstelle zwischen zwei Materialien vorhanden sind, die Permittivities mit entgegengesetzten Vorzeichen haben. Wenn die Masse der Sensor Oberflächenveränderungen zugeordnet, wird die Resonanzbedingung die Oberflächenplasmonen verändert. Folglich, wenn nur das Biorecognition-Element auf der Oberfläche gebunden ist, spiegelt der Strahl in einem Winkel Theta einer. Dann, wenn mehr Masse an der Oberfläche, wie die aufgenommenen Target angeschlossen ist eine Verringerung der Intensität der reflektiertes Licht im bestimmten Winkel Theta, die SPR beobachtet wird, ändert sich der Winkel der Reflexion zu Theta zwei. Die Änderung in der Intensität des reflektierten Lichts in die Resonanz Winkel Theta SPR, dann ist eine Funktion des Winkels des reflektierten Lichts und als Differenz im Winkel, Theta einer und Theta 2 gemessen werden kann.

Nun, da wir die Grundsätze und Verfahren hinter optische Biosensoren besprochen haben, mal sehen, wie Forscher diese Techniken heute anwenden. Das Durchflusszytometer Zelle ist eine optische Biosensoren-System, die gewöhnlich für das zählen von Zellen und Messung einer Vielzahl von anderen zellulären Eigenschaften und Komponenten. Eine Stichprobe aus mehreren Zelltypen, die jeweils mit einer einzigartigen Fluorophor gekennzeichnet ist in einer Suspension bereit. Die Probe ist durch das Durchflusszytometer führen Sie dann so, dass die Zellen vorbei ein Laserstrahl eine zu einem Zeitpunkt ausgeführt. Wie jede Zelle den Laserstrahl durchläuft, verstreut und emittiert Fluoreszenz sind leicht durch die verschiedenen Fluorophore separat quantifiziert, wodurch eine direkte Zählung der verschiedenen Zelltypen in der Probe. Eine weitere Anwendung der optische Biosensoren ist Nachweis von Bakterien in Proben. Eine Möglichkeit, dies zu tun ist durch die Verwendung optischer Ring Resonator Sensoren. Sie bestehen aus einer geschlossenen Schleife um Licht Eingang und Ausgang Wellenleiter gekoppelt. Wenn die Eingabe Wellenleiter resonanten Wellenlänge zugewiesen wird, es wird die Schleife durchlaufen und baut sich eine Intensität im Laufe mehrerer Rundreisen durch konstruktive Interferenz und zum Ausgang Welle Führer Ausgabe. Antikörper, die spezifisch für bakterielle Oberflächenproteine auf die Ring-Resonator-Oberfläche immobilisiert werden und eine Grundlinie Absorptionsspektrum erzielt wird. Dann fließt die bakterielle Probe auf die Resonator-Oberfläche für bakterielle Bindung an immobilisierte Körper, woraufhin eine zweite Absorptionsspektrum gewonnen wird. Wenn das Bakterium Interesse bindet, eine sichtbare Verschiebung in resonante Gipfel beobachtet wird, ist direkt proportional zur Konzentration des Ziel-Bakterien.

Sie haben nur Jupiters Video auf optische Biosensoren angesehen. Wir diskutierten die Grundprinzipien der Label und Label-freie optische Fernerkundung zusammen mit zwei prominente Beispiele für diese Methoden und einige Anwendungen der Techniken. Danke fürs Zuschauen.

Transcript

Optical biosensors are sensors that detect a biological target or targets of interest using light. These devices have found applications in healthcare, pharmaceuticals, environmental monitoring, Homeland Security, and even the battlefield. Optical biosensors are broadly divided into label-based and label-free sensors. An example of label-based sensing is Polymerase Chain Reaction, or PCR, that uses fluorescent labels, or fluorophores, to quantify the amplified target DNA. An example of a label-free method is Surface Plasmon Resonance, or SPR. Here, the unaltered biomolecules interaction with the sensor surface is quantified by measuring a fundamental characteristic of the sensor, like the angle of reflection. This video reviews the basics of both these types of optical biosensing techniques and its critical components, the working principles and common applications of optical biosensors.

First, let us look at the general principles of label-based optical biosensing. Typically, a probe or biorecognition element, like a complimentary antibody, is attached on the sensor surface using traditional immobilization chemistry. The sample solution is then flowed over the sensors surface. The target molecule, which is complimentary to the immobilized biorecognition element, is selectively captured from the complex sample solution. Then the excess sample solution is washed away with buffer or water. Next, to help visualize and quantify the amount of bound target, a secondary molecule that is complimentary to the target and attached to a fluorophore, is flowed through the system. After some time, when binding of the secondary molecule to the target has occurred, the excess unbound fluorophore is washed away. The bound fluorophore’s intensity can then be quantified using a fluorescent microscope. This intensity is first plotted for various known target concentrations to create a calibration curve, which then allows for the direct measure of an unknown amount of captured target. Thus, label-based techniques use the fluorescence intensity of extremely sensitive fluorophores to quantify the concentration of the biomolecule of interest.

Now that we have reviewed the principles of label-based optical biosensors, let’s take a look at a commonly used example, the current standard for DNA amplification, Quantitative PCR, or qPCR. The qPCR reaction mix includes a labeled probe for real-time reaction quantification. The probe sequence is attached to both fluorescent reporter and quencher molecules, and binds to a specific DNA sequence. The quencher molecule quenches the fluorophore’s emission while both of them are attached to the probe. During the PCR reaction, the polymerase enzyme degrades the probe DNA and physically separates the fluorophore reporter, thus preventing quenching and resulting in an increase in fluorescence. To perform qPCR, first add all components of the reaction, including the labeled probes, into a PCR tube or well. Next, place the PCR wells into a specialized thermocycler and enter the parameters for each cycle and the number of cycles. The thermocycler used for qPCR includes a light source with the required optical components to select a wavelength and a detector to measure the fluorescence intensity in real time during the PCR reaction. At the end of each thermal cycle, the fluorescent intensity due to the released Fluorophores is recorded and plotted. The fluorescent intensity is directly proportional to the logarithm of the target concentration in the reaction well, and thus, for a known fluorescence, the unknown target concentration can be calculated.

Let us now look at how sensing can be achieved without any reporters, like fluorophores, using label-free optical sensing techniques. For label-free techniques, the immobilization of the biorecognition element is the same as the label-based technique. Any biomolecule attachment to the surface of these sensors modifies the index of refraction in the immediate vicinity of the optical device. The target molecules bind to the surface of the functionalized optical device forming a thin layer and further modifying the refractive index. These changes in refractive index can be monitored by tracking the change in the natural frequency of vibration, or the resonant frequency of the system. The difference in the resonant frequencies before and after target binding, called the f shift, is directly proportional to the concentration of the captured target.

Now let’s take a look at the basic principles of a commonly used label-free optical sensing technique, Surface Plasmon Resonance, or SPR. A typical SPR instrument combines a moveable laser source, an optical detector for measuring intensity shift, and a sensor chip with a glass prism coated on one side with gold. The gold-covered prism is integrated with a fluidic system enabling a flow-through operation. In an experiment, the probe molecule, or biorecognition element, is attached to the gold surface. The target element then flows over the surface and binds to the immobilized probe. Sensing utilizes the SPR phenomenon. This occurs when polarized light is shown on the surface of metal, like gold, at a specific angle, theta SPR. This results in the generation of surface plasmons which are coherent electron oscillations that exist at the interface of two materials that have permittivities of opposite signs. When the mass attached to the sensor surface changes, the resonance condition of the surface plasmons is altered. Consequently, when only the biorecognition element is bound on the surface, the beam is reflected at one angle, theta one. Then, when more mass is attached to the surface, like the captured target, a reduction of the intensity of reflected light at the specific angle, theta SPR is observed, as the angle of reflection changes to theta two. The change in intensity of the reflected light at the resonance angle, theta SPR, is then a function of the angle of reflected light, and can be measured as the difference in angles, theta one and theta two.

Now that we have covered the principles and procedure behind optical biosensors, let’s see how researchers are applying these techniques today. The flow cell cytometer is an optical biosensing system that is commonly used for counting cells and measuring a variety of other cellular properties and components. A sample consisting of multiple cell types, each tagged with a unique fluorophore, is prepared in a suspension. Then, the sample is run through the flow cytometer such that the cells run past a laser beam one at a time. As each cell passes through the laser beam, scattered and emitted fluorescent light by the different fluorophores are separately quantified, which gives a direct count of the various cell types in the sample. Another application of optical biosensors is detection of bacteria in samples. One way to do this is by using optical ring resonator sensors. They are composed of a closed loop coupled to light input and output wave guides. When light of resonant wavelength is applied to the input wave guide, it is passed through the loop and builds up an intensity over multiple round trips due to constructive interference and is output to the output wave guide. Antibodies specific to bacterial surface proteins are immobilized onto the ring resonator surface and a baseline absorption spectrum is obtained. Then the bacterial sample is flowed onto the resonator surface to allow for bacterial binding to the immobilized body, following which a second absorption spectrum is obtained. If the bacterium of interest binds, a visible shift in resonant peaks is observed, which is directly proportional to the concentration of the target bacteria.

You’ve just watched JoVE’s video on optical biosensing. We discussed the basic principles of both label-based and label-free optical sensing along with two prominent examples of these methods and some applications of the techniques. Thanks for watching.