Optische Biosensoren
Optische Biosensoren nutzen Licht, um die Bindung eines Zielmoleküls erkennen. Diese Sensoren nutzen können ein Label-Molekül, das ein messbares Signa…
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.
Optische Biosensoren sind Sensoren, die ein oder mehrere biologische Ziele von Interesse mithilfe von Licht erfassen. Diese Geräte haben Anwendungen im Gesundheitswesen, in der Pharmazie, in der Umweltüberwachung, im Heimatschutz und sogar auf dem Schlachtfeld gefunden. Optische Biosensoren werden grob in markierungsbasierte und markierungsfreie Sensoren unterteilt. Ein Beispiel für markierungsbasierte Sensorik ist die Polymerase-Kettenreaktion (PCR), bei der fluoreszierende Markierungen oder Fluorophore verwendet werden, um die amplifizierte Ziel-DNA zu quantifizieren. Ein Beispiel für eine markierungsfreie Methode ist die Oberflächenplasmonenresonanz (SPR). Hier wird die unveränderte Wechselwirkung der Biomoleküle mit der Sensoroberfläche quantifiziert, indem eine grundlegende Eigenschaft des Sensors, wie z.B. der Reflexionswinkel, gemessen wird. Dieses Video gibt einen Überblick über die Grundlagen dieser beiden Arten von optischen Biosensortechniken und ihre kritischen Komponenten, die Funktionsprinzipien und gängigen Anwendungen optischer Biosensoren.
Schauen wir uns zunächst die allgemeinen Prinzipien der markierungsbasierten optischen Biosensorik an. In der Regel wird eine Sonde oder ein Bioerkennungselement, wie z. B. ein komplementärer Antikörper, mit herkömmlicher Immobilisierungschemie auf der Sensoroberfläche befestigt. Die Probenlösung wird dann über die Sensoroberfläche geströmt. Das Zielmolekül, das komplementär zum immobilisierten Bioerkennungselement ist, wird selektiv aus der komplexen Probenlösung aufgefangen. Anschließend wird die überschüssige Probenlösung mit Puffer oder Wasser weggespült. Um die Menge des gebundenen Ziels zu visualisieren und zu quantifizieren, wird als Nächstes ein sekundäres Molekül durch das System geleitet, das komplementär zum Ziel ist und an ein Fluorophor gebunden ist. Nach einiger Zeit, wenn die Bindung des Sekundärmoleküls an das Ziel stattgefunden hat, wird das überschüssige ungebundene Fluorophor weggespült. Die Intensität des gebundenen Fluorophors kann dann mit einem Fluoreszenzmikroskop quantifiziert werden. Diese Intensität wird zunächst für verschiedene bekannte Zielkonzentrationen aufgetragen, um eine Kalibrierungskurve zu erstellen, die dann die direkte Messung einer unbekannten Menge des erfassten Ziels ermöglicht. Daher nutzen markierungsbasierte Techniken die Fluoreszenzintensität extrem empfindlicher Fluorophore, um die Konzentration des interessierenden Biomoleküls zu quantifizieren.
Nachdem wir nun die Prinzipien markierungsbasierter optischer Biosensoren überprüft haben, werfen wir einen Blick auf ein häufig verwendetes Beispiel, den aktuellen Standard für DNA-Amplifikation, quantitative PCR oder qPCR. Der qPCR-Reaktionsmix enthält eine markierte Sonde für die Echtzeit-Reaktionsquantifizierung. Die Sondensequenz ist sowohl an fluoreszierende Reporter- als auch an Quenchermoleküle gebunden und bindet an eine spezifische DNA-Sequenz. Das Quencher-Molekül löscht die Emission des Fluorophors, während beide an die Sonde gebunden sind. Während der PCR-Reaktion baut das Polymerase-Enzym die Sonden-DNA ab und trennt den Fluorophor-Reporter physikalisch, wodurch ein Quenching verhindert und eine Erhöhung der Fluoreszenz erreicht wird. Um eine qPCR durchzuführen, geben Sie zunächst alle Komponenten der Reaktion, einschließlich der markierten Sonden, in ein PCR-Röhrchen oder eine Vertiefung. Legen Sie anschließend die PCR-Wells in einen speziellen Thermocycler und geben Sie die Parameter für jeden Zyklus und die Anzahl der Zyklen ein. Der für die qPCR verwendete Thermocycler umfasst eine Lichtquelle mit den erforderlichen optischen Komponenten zur Auswahl einer Wellenlänge und einen Detektor zur Messung der Fluoreszenzintensität in Echtzeit während der PCR-Reaktion. Am Ende jedes thermischen Zyklus wird die Fluoreszenzintensität aufgrund der freigesetzten Fluorophore aufgezeichnet und dargestellt. Die Fluoreszenzintensität ist direkt proportional zum Logarithmus der Zielkonzentration in der Reaktionsvertiefung, und somit kann für eine bekannte Fluoreszenz die unbekannte Zielkonzentration berechnet werden.
Schauen wir uns nun an, wie die Messung ohne Reporter wie Fluorophore mit markierungsfreien optischen Sensortechniken erreicht werden kann. Bei markierungsfreien Techniken ist die Immobilisierung des Bioerkennungselements die gleiche wie bei der markierungsbasierten Technik. Jede Anheftung von Biomolekülen an die Oberfläche dieser Sensoren verändert den Brechungsindex in unmittelbarer Nähe des optischen Geräts. Die Zielmoleküle binden an die Oberfläche des funktionalisierten optischen Geräts, bilden eine dünne Schicht und modifizieren den Brechungsindex weiter. Diese Änderungen des Brechungsindex können überwacht werden, indem die Änderung der Eigenschwingungsfrequenz oder der Resonanzfrequenz des Systems verfolgt wird. Die Differenz der Resonanzfrequenzen vor und nach der Target-Bindung, die sogenannte f-Verschiebung, ist direkt proportional zur Konzentration des erfassten Targets.
Werfen wir nun einen Blick auf die Grundprinzipien einer häufig verwendeten markierungsfreien optischen Sensortechnik, der Oberflächenplasmonenresonanz oder SPR. Ein typisches SPR-Instrument kombiniert eine bewegliche Laserquelle, einen optischen Detektor zur Messung der Intensitätsverschiebung und einen Sensorchip mit einem einseitig mit Gold beschichteten Glasprisma. Das mit Gold überzogene Prisma ist in ein fluidisches System integriert, das einen Durchflussbetrieb ermöglicht. In einem Experiment wird das Sondenmolekül oder Bioerkennungselement an die Goldoberfläche gebunden. Das Zielelement fließt dann über die Oberfläche und bindet sich an die immobilisierte Sonde. Die Sensorik nutzt das SPR-Phänomen. Dies tritt auf, wenn polarisiertes Licht auf der Oberfläche eines Metalls wie Gold in einem bestimmten Winkel, Theta SPR, gezeigt wird. Dies führt zur Erzeugung von Oberflächenplasmonen, bei denen es sich um kohärente Elektronenschwingungen handelt, die an der Grenzfläche zweier Materialien existieren, die Permittivitäten entgegengesetzter Vorzeichen aufweisen. Wenn sich die an der Sensoroberfläche haftende Masse ändert, ändert sich der Resonanzzustand der Oberflächenplasmonen. Wenn also nur das Bioerkennungselement an der Oberfläche gebunden ist, wird der Strahl in einem Winkel reflektiert, Theta in einem. Dann, wenn mehr Masse an die Oberfläche gebunden ist, wie das eingefangene Ziel, wird eine Verringerung der Intensität des reflektierten Lichts in einem bestimmten Winkel, Theta SPR, beobachtet, da sich der Reflexionswinkel auf Theta zwei ändert. Die Änderung der Intensität des reflektierten Lichts am Resonanzwinkel, Theta SPR, ist dann eine Funktion des Winkels des reflektierten Lichts und kann als Differenz der Winkel, Theta eins und Theta zwei, gemessen werden.
Nachdem wir nun die Prinzipien und Verfahren hinter optischen Biosensoren behandelt haben, wollen wir uns ansehen, wie Forscher diese Techniken heute anwenden. Das Durchflusszellzytometer ist ein optisches Biosensorsystem, das häufig zum Zählen von Zellen und zur Messung einer Vielzahl anderer zellulärer Eigenschaften und Komponenten verwendet wird. Eine Probe, die aus mehreren Zelltypen besteht, die jeweils mit einem einzigartigen Fluorophor markiert sind, wird in einer Suspension hergestellt. Dann wird die Probe durch das Durchflusszytometer geführt, so dass die Zellen nacheinander an einem Laserstrahl vorbeilaufen. Während jede Zelle den Laserstrahl durchläuft, wird das gestreute und emittierte Fluoreszenzlicht der verschiedenen Fluorophore separat quantifiziert, was eine direkte Zählung der verschiedenen Zelltypen in der Probe ergibt. Eine weitere Anwendung von optischen Biosensoren ist der Nachweis von Bakterien in Proben. Eine Möglichkeit, dies zu tun, ist der Einsatz optischer Ringresonator-Sensoren. Sie bestehen aus einem geschlossenen Regelkreis, der mit Lichteingangs- und -ausgangswellenleitern gekoppelt ist. Wenn Licht mit resonanter Wellenlänge an den Eingangswellenleiter angelegt wird, wird es durch die Schleife geleitet und baut aufgrund konstruktiver Interferenz über mehrere Rundgänge eine Intensität auf und wird an den Ausgangswellenleiter ausgegeben. Antikörper, die spezifisch für bakterielle Oberflächenproteine sind, werden auf der Oberfläche des Ringresonators immobilisiert und es wird ein Absorptionsspektrum der Grundlinie erhalten. Dann wird die Bakterienprobe auf die Resonatoroberfläche geströmt, um eine bakterielle Bindung an den immobilisierten Körper zu ermöglichen, woraufhin ein zweites Absorptionsspektrum erhalten wird. Wenn das interessierende Bakterium bindet, wird eine sichtbare Verschiebung der Resonanzpeaks beobachtet, die direkt proportional zur Konzentration der Zielbakterien ist.
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Q1: What is the difference between label-based and label-free optical biosensors?
Label-based biosensors use fluorescent molecules called fluorophores attached to secondary probes to generate measurable signals, such as in quantitative PCR. Label-free biosensors detect binding by monitoring changes in optical properties like refractive index without adding reporter molecules. Both approaches immobilize biorecognition elements on sensor surfaces but differ in how they quantify target binding. Optical and electrochemical biosensors represent complementary detection strategies in modern bioanalysis.
Q2: How does quantitative PCR use fluorescence to measure DNA concentration?
In qPCR, a labeled probe contains both a fluorescent reporter and a quencher molecule that suppresses fluorescence when attached. During PCR amplification, the polymerase degrades the probe, separating the fluorophore from the quencher and releasing fluorescence. The thermocycler measures fluorescent intensity in real time at each cycle, which is directly proportional to the logarithm of target DNA concentration.
Q3: What role does the biorecognition element play in optical biosensing?
The biorecognition element, such as a complementary antibody, is immobilized on the sensor surface using chemical attachment methods. It selectively captures target molecules from complex sample solutions based on molecular specificity. This immobilized probe forms the foundation for both label-based and label-free detection methods by enabling selective binding of targets.
Q4: How does Surface Plasmon Resonance detect target binding without labels?
SPR uses polarized light directed at a gold-coated prism at a specific angle to generate surface plasmons, which are coherent electron oscillations at the metal interface. When target molecules bind to immobilized probes on the gold surface, the mass changes alter the resonance condition. This shifts the angle of reflected light, and the change in reflection intensity at the resonance angle is measured and quantified.
Q5: What is a calibration curve and why is it important in label-based biosensing?
A calibration curve is created by plotting fluorescent intensity measurements against known target concentrations. This curve establishes the relationship between fluorescence signal and target concentration. Once established, the calibration curve allows researchers to determine unknown target concentrations by measuring the fluorescent intensity of unknown samples and referencing the curve.
Q6: How does flow cytometry use optical biosensing to identify cell types?
Flow cytometry prepares cell samples with each cell type tagged with a unique fluorophore. Cells flow past a laser beam one at a time, and scattered and emitted fluorescent light from different fluorophores are separately quantified. This direct measurement provides accurate counts of various cell types in the sample based on their distinct fluorescent signatures.
Q7: How do optical ring resonators detect bacteria in samples?
Optical ring resonators consist of a closed loop coupled to input and output waveguides. Antibodies specific to bacterial surface proteins are immobilized on the resonator surface. When bacterial samples flow over the surface and bind to antibodies, the resonant peaks shift visibly. This shift is directly proportional to bacterial concentration, enabling sensitive detection and quantification.