Name: how biosensors detect molecules
Uploaded: 2023-04-30T06:32:47.000Z
Duration: 6 min 40 s
Channel: JoVE

<div class="chapter_text" id="script_0">Biosensores ópticos son sensores que detectan un destino biológico u objetivos de interés usando la luz. Estos dispositivos han encontrado aplicaciones en salud, productos farmacéuticos, monitoreo ambiental, seguridad nacional y el campo de batalla. Biosensores ópticos se dividen ampliamente en sensores basados en la etiqueta y sin etiqueta. Un ejemplo de detección de etiqueta es reacción en cadena de polimerasa, o PCR, que utiliza etiquetas fluorescentes o fluoróforos, para cuantificar el ADN diana amplificado. Un ejemplo de un método libre de etiqueta es resonancia de plasmones de superficie o SPR. Aquí, la interacción de biomoléculas inalterado con la superficie del sensor se cuantifica mediante la medición de una característica fundamental del sensor, como el ángulo de reflexión. Este vídeo repasa los conceptos básicos de estos tipos de Técnicas Biosensibles óptica y sus componentes críticos, los principios de funcionamiento y aplicaciones comunes de biosensores ópticos.</div><div class="chapter_text" id="script_1">En primer lugar, echemos un vistazo a los principios generales de biodetección óptica basada en etiquetas. Normalmente, una sonda o biorreconocimiento elemento, como un anticuerpo complementario, se une en la superficie del sensor mediante química tradicional inmovilización. La solución de la muestra es entonces fluyó sobre la superficie de los sensores. La molécula objetivo, que es gratuita para el elemento de biorreconocimiento inmovilizados, selectivamente se captura de la solución de la muestra compleja. Entonces la solución de muestra exceso es lavada con agua o buffer. A continuación, para ayudar a visualizar y cuantificar la cantidad de destino consolidado, una molécula secundaria que ofrece el destino y Unidos a un fluoróforo es fluyó a través del sistema. Después de algún tiempo, cuando ha ocurrido el atascamiento de la molécula de secundaria en el destino, el fluoróforo exceso se lava lejos. Intensidad del fluoróforo encuadernado entonces puede cuantificarse usando un microscopio de fluorescencia. Esta intensidad se traza primero para que diferentes concentraciones de destino conocido crear una curva de calibración, que luego permite la medida directa de una cantidad desconocida de objetivo capturada. Así, técnicas basadas en la etiqueta usan la intensidad de fluorescencia de fluoróforos extremadamente sensibles para cuantificar la concentración de las biomoléculas de interés.</div><div class="chapter_text" id="script_2">Ahora que hemos repasado los principios de biosensores ópticos basados en etiquetas, echemos un vistazo a un ejemplo comúnmente usado, el estándar actual para la amplificación de DNA, PCR cuantitativa o qPCR. La mezcla de reacción de qPCR incluye una sonda marcada para la cuantificación de la reacción en tiempo real. La secuencia de la sonda conectada a reportero fluorescente y las moléculas del extintor y se une a una secuencia específica de ADN. La molécula de extintor apaga emisión del fluoróforo mientras ambos están conectados a la sonda. Durante la reacción de PCR, la enzima polimerasa degrada la sonda de ADN y separa físicamente el reportero fluoróforo, evitando así el enfriamiento y resultando en un incremento en fluorescencia. Para realizar la qPCR, primero agregar todos los componentes de la reacción, incluyendo las sondas marcadas, en un tubo PCR o bien. A continuación, coloque los pozos de la PCR en un termociclador especializado y especifique los parámetros para cada ciclo y el número de ciclos. El termociclador utilizado para qPCR incluye una fuente de luz con los componentes ópticos necesarios para seleccionar una longitud de onda y un detector para medir la intensidad de fluorescencia en tiempo real durante la reacción de PCR. Al final de cada ciclo térmico, la intensidad fluorescente debido a los fluoróforos liberado es grabada y trazada. La intensidad fluorescente es directamente proporcional al logaritmo de la concentración de destino en el pozo de reacción, y por lo tanto, para una conocido de la fluorescencia, puede calcularse la concentración objetivo desconocido.</div><div class="chapter_text" id="script_3">Ahora veamos cómo detección se logra sin cualquier reporteros como fluoróforos, uso libre de etiqueta óptica técnicas de detección. Técnicas de etiqueta-libre, la inmovilización de los elementos de bioreconocimiento es igual a la técnica basada en etiquetas. Cualquier accesorio de biomoléculas a la superficie de estos sensores modifica el índice de refracción en las inmediaciones del dispositivo óptico. Las moléculas de la blanco se unen a la superficie del dispositivo óptico funcionalizado formando una capa delgada y además modificar el índice de refracción. Estos cambios en el índice de refracción pueden ser monitoreados por el cambio en la frecuencia natural de vibración, o la frecuencia de resonancia del sistema de seguimiento. La diferencia en las frecuencias resonantes antes y después del enlace de blanco, llamado el cambio de f, es directamente proporcional a la concentración del objetivo capturado.</div><div class="chapter_text" id="script_4">Ahora echemos un vistazo a los principios básicos de un uso común libre de etiqueta ópticos de detección técnica, resonancia de plasmones de superficie o SPR. Un instrumento típico de la SPR combina una fuente de láser movible, un detector óptico para medición de intensidad de cambio y un chip sensor con un prisma de vidrio recubierto por una cara con oro. El prisma cubierto de oro está integrado con un sistema neumático que permite una operación de flujo. En un experimento, la molécula de sonda o elementos de bioreconocimiento, se une a la superficie de oro. El elemento de destino entonces fluye sobre la superficie y se une a la sonda inmovilizada. De detección utiliza el fenómeno de la SPR. Esto ocurre cuando la luz polarizada se muestra en la superficie del metal, como el oro, en un ángulo específico, theta SPR. Esto resulta en la generación de plasmones de superficie que son oscilaciones coherentes de electrones que existen en la interfase de dos materiales que tienen permittivities de signos opuestos. Cuando la masa sujeta a cambios de la superficie del sensor, se altera la condición de resonancia de plasmones de superficie. En consecuencia, cuando sólo el elemento de biorreconocimiento es dependiente en la superficie, el rayo se refleja en un ángulo, theta uno. Entonces, cuando más masa se une a la superficie, como el objetivo capturado, una reducción de la intensidad de luz reflejada en ángulo específico, theta SPR se observa, como el ángulo de reflexión cambia a theta dos. El cambio en la intensidad de la luz reflejada en el ángulo de resonancia, theta SPR, es entonces una función del ángulo de la luz reflejada y puede medirse como la diferencia en los ángulos, theta uno y theta dos.</div><div class="chapter_text" id="script_5">Ahora que hemos cubierto los principios y procedimiento detrás de biosensores ópticos, vamos a ver cómo los investigadores están aplicando estas técnicas hoy en día. El citómetro de flujo de la célula es un sistema de biodetección óptica que se utiliza habitualmente para recuento de células y medir una variedad de otros componentes y propiedades celulares. Se prepara una muestra formada por múltiples tipos celulares, cada una etiquetada con un fluoróforo único, en una suspensión. Luego, la muestra se desarrolla a través del citómetro de flujo tal que las células ejecutan más allá de un rayo láser de uno al mismo tiempo. Como cada célula atraviesa el rayo láser, dispersos y emitido fluorescente luz por los diferentes fluoróforos son por separado cuantificados, que da una cuenta directa de los distintos tipos de células en la muestra. Otra aplicación de biosensores ópticos es la detección de bacterias en las muestras. Una manera de hacer esto es utilizando sensores de resonador óptico anillo. Están compuestas por un circuito cerrado juntado a la entrada de luz y guías de onda de salida. Cuando luz de longitud de onda resonante se aplica la guía de onda de entrada, se pasa a través del lazo y acumula una intensidad durante varios viajes de ida debido a la interferencia constructiva y la salida de la guía de onda de salida. Anticuerpos específicos para proteínas de superficie bacterianas son inmovilizados en la superficie del resonador de anillo y se obtiene un espectro de absorción de la línea de base. Entonces la muestra bacteriana es fluida en la superficie del resonador para permitir la Unión bacteriana al cuerpo inmovilizado, tras lo cual se obtiene un segundo espectro de absorción. Si se observa la bacteria de interés se une, un cambio visible en los picos de resonancias, que es directamente proporcional a la concentración de las bacterias de la blanco.</div><div class="chapter_text" id="script_6">Sólo has visto video de Zeus en biodetección óptica. Hemos hablado de los principios básicos de la detección basada en etiquetas y libre de etiqueta óptica junto con dos ejemplos destacados de estos métodos y algunas aplicaciones de las técnicas. Gracias por ver.</div>

resumen de biodetección

Biosensores son dispositivos que utilizan una amplia gama de procesos biológicos y las características físicas para detectar una molécula biológica, como una proteína o una célula o una molécula no-biológico, como un componente químico o contaminante. Este campo interdisciplinario utiliza propiedades eléctricas, ópticas, electroquímicas o incluso mecánicas para detectar la presencia de la molécula objetivo.
Este video presenta el campo de los biosensores y comentarios sobre tipos comunes de tecnologías de biosensores. Este video también discute desafíos clave en el campo y proporciona una idea de cómo los biosensores se utilizan en el campo.

Resumen de biodetección

Biosensors are devices that use a wide range of biological processes and physical properties in order to detect either a biological molecule, such as a ...

Los biosensores han revolucionado los campos de la medicina y la biotecnología a través de la detección y caracterización de moléculas objetivo en fluidos biológicos complejos. Un biosensor es un dispositivo que utiliza una molécula receptora biológica, como una enzima, para detectar un compuesto específico. Los biosensores utilizan diferentes métodos, como la electroquímica, las propiedades mecánicas o la óptica, para detectar la unión de la molécula específica al receptor. Este video presentará los biosensores y el campo de la biodetección al analizar algunas técnicas básicas y tipos de biosensores, así como sus aplicaciones. Primero, analicemos los conceptos básicos de cómo funciona un biosensor típico. Un biosensor consiste en un sistema de reconocimiento biológico, a menudo llamado biorreceptor o molécula sonda. Por lo general, se trata de una biomolécula inmovilizada, como una enzima, un anticuerpo o un ácido nucleico, que se utiliza para capturar selectivamente una molécula objetivo. La unión entre la sonda y las moléculas objetivo provoca un evento medible, como un cambio de pH, un cambio óptico o un evento redox. Este cambio es medido por el transductor, que convierte la información de enlace en una señal cuantificable. Algunos biosensores cuantifican la cantidad de objetivo unido, proporcionando al usuario una concentración. Sin embargo, algunos se utilizan simplemente para confirmar la presencia de una molécula, como en una prueba de embarazo. El primer biosensor fue el sensor de oxígeno desarrollado por Leland C. Clark. El sensor utilizó glucosa oxidasa, que se reduce cuando la glucosa se une. En presencia de oxígeno, la glucosa oxidasa se oxida, produciendo peróxido de hidrógeno en una reacción secundaria. Cuando el peróxido de hidrógeno se oxida, se pierde un electrón y el electrodo lo mide. Cuanto más oxígeno está presente, más peróxido de hidrógeno se produce y más electrones se miden. Este descubrimiento allanó el camino para los biosensores modernos. Ahora que hemos presentado los biosensores y un poco de su historia, echemos un vistazo a algunos tipos comunes de biosensores. Los sensores ópticos utilizan la luz para detectar la unión de una molécula objetivo a la molécula de la sonda. Un ejemplo muy simple es un sensor basado en fluorescencia. Aquí, la superficie del sensor está recubierta con un polímero, que tiene una fluorescencia basal baja. Cuando la superficie del polímero se funcionaliza con la molécula de la sonda, en este caso, el ADN monocatenario, la fluorescencia aumenta. Cuando la molécula objetivo, la cadena de ADN complementaria, se une a la cadena objetivo, el aumento de la fluorescencia desaparece, lo que permite al usuario determinar la cantidad y la ubicación de la unión en función de la intensidad de la fluorescencia. Otro tipo común de biosensor es el sensor electroquímico, que utiliza electrodos para detectar reacciones redox entre la sonda y las moléculas objetivo. Esto se hace comúnmente usando una enzima unida a la superficie del electrodo. Cuando la molécula objetivo se une a la enzima bajo un potencial aplicado específico, se produce la reducción u oxidación del complejo. Esto crea un excedente o déficit de electrones, que es directamente proporcional a la cantidad de molécula objetivo unida. El campo de la biodetección no está exento de desafíos. En primer lugar, un desafío clave es la contaminación de la superficie del biosensor por otras moléculas en la muestra, llamada bioincrustación, que puede ocurrir en mezclas complejas. Esta contaminación puede bloquear las moléculas de la sonda para que no detecten la molécula objetivo en la muestra, disminuyendo así en gran medida la capacidad de detección del sensor. Como resultado, algunos biosensores tienen una vida útil limitada y se regeneran o se eliminan. Alternativamente, se pueden desarrollar recubrimientos antiincrustantes para mitigar este efecto. El límite de detección de un sensor se refiere a la cantidad más baja de sustancia que puede distinguirse de manera confiable de la ausencia de esa sustancia. Un límite de detección bajo es ventajoso para detectar trazas de una sustancia con certeza, siendo la detección de una sola molécula el escenario ideal. Sin embargo, esto puede ser difícil, ya que las concentraciones bajas a menudo dan como resultado señales débiles que están por debajo del ruido y son difíciles de cuantificar. Gran parte de la investigación actual está dirigida a mejorar los límites de detección mediante la mejora de la eficiencia de unión y la reducción del ruido. Ahora que hemos discutido algunos tipos comunes de biosensores junto con sus desafíos, echemos un vistazo a algunas aplicaciones de estos conceptos básicos. Un sensor de uso común es la microbalanza de cristal de cuarzo, o QCM. QCM consta de dos electrodos de oro separados por un cristal de cuarzo, que tiene propiedades piezoeléctricas. Cuando se aplica una corriente alterna, se inducen oscilaciones con una frecuencia de resonancia específica. Esta frecuencia de resonancia cambia cuando las moléculas se unen a la superficie. Este cambio se utiliza para detectar la unión de las moléculas objetivo y la cantidad. Los voladizos especializados utilizan propiedades mecánicas para detectar la unión de las moléculas objetivo. Aquí, los voladizos se funcionalizan con moléculas de sonda y luego se exponen a la molécula objetivo. Al unirse a la molécula objetivo, el voladizo se desvía debido a los cambios en la tensión superficial. A continuación, esta deflexión se mide con un láser. Acabas de ver el Resumen de la Biodetección de JoVE. Ahora debería estar familiarizado con los conceptos básicos de los biosensores, algunos tipos clave de sensores y sus desafíos, así como algunas aplicaciones en el campo. Gracias por mirar.

Education

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JoVE Science Education

Engineering

Ingeniería

Bioengineering

Bioingeniería

Overview of Biosensing

how biosensors detect molecules

Biosensors detect biological molecules and chemical contaminants by combining biology with physical measurement. They can identify targets such as proteins or cells, as well as non-biological molecules like chemicals or contaminants. This makes biosensing a useful field for studying and monitoring many kinds of samples.

These devices rely on different signal types to find the target molecule. Some biosensors use electrical signals, while others depend on optical, electrochemical, or mechanical properties. The choice of method depends on how the sensor is designed and what it is meant to detect.

Biosensing is an interdisciplinary field, so it brings together ideas from biology, chemistry, and physics. The video also reviews common biosensor technologies and the main challenges in the field. It shows how biosensors are used in real-world settings and why they matter in scientific testing.

How Biosensors Detect Molecules

overview of biomaterials

Biomaterials in Medicine and Engineering

Biomaterials are materials designed to interact well with biological organisms or molecules. They may come from an organism, be produced by an organism, or be made as a synthetic polymer. Because of these properties, engineers use biomaterials in medicine and other biological applications. These materials are used in tissue engineering, biosensing, and drug delivery. Tissue engineering uses materials to support the growth or repair of tissues. Biosensing uses materials to detect biological...

collagen hydrogels

Porcine Collagen for Tissue Engineering

Collagen is a useful biomaterial with uses that go beyond the lab. It has also found commercial use in photography. In tissue engineering, collagen can be turned into hydrogels that give engineered tissue support and structure. This page follows the path from porcine skin to a collagen hydrogel. Porcine skin is used as the source of collagen. The material is then prepared for use in tissue engineering applications. The video also shows several applications of collagen and the methods used to...

electrospinning of silk biomaterials

Silk Cocoon Processing for Fiber Mats

Silk cocoons can be processed into a soluble material that is useful for making biomaterials. Silk fibers have been used for fabrics and threads for centuries, but turning them into a versatile pre-polymer solution is a newer technique. That solution can then be shaped into materials with controllable mechanical properties. The process begins with silk worm cocoons. The silk is solubilized, or dissolved, so it can be handled as a liquid-like solution. The video then shows how that silk...

overview of biomem devices

BioMEMs in Diagnostics and Miniaturization

Bio-microelectromechanical systems, or BioMEMs, are microscale devices used in diagnostic settings. They work with very small sample and reagent volumes in vivo and in vitro, which means inside a living body or outside it in a lab. These compact systems support bioengineering research and help make diagnostic tools more efficient. BioMEMs can carry out functions such as filtration, sensing, and synthesis on a tiny scale. Using less material can lower costs and improve sensitivity. The...

microfabrication via photolithography

Photolithography for Silicon Wafer Patterning

Photolithography is a common microfabrication method used to pattern a silicon wafer. It uses light to transfer a design onto the wafer surface. This process helps form the basis for many BioMEM devices. The page also shows how photolithography is carried out in a cleanroom. Cleanroom steps are important because they support careful fabrication of small, detailed features. The video ends by introducing applications of this process in BioMEM device production.

soft lithography

Photolithography for Microfluidic Device Making

Photolithography and soft lithography are used to make BioMEM devices such as microfluidic channels. A microscale pattern is copied by curing an elastomeric polymer over a 3D structure. The result is a polymer piece that can serve as part of a biological device. These polymer structures are then used to build a range of tools. Some are microfluidic channels for biosensing applications. Others are microscale bioreactors that let scientists visualize micro-colonies. The process also shows how...

overview of bioprocess engineering

Bioreactors and Protein Production in Bioprocessing

Bioprocessing uses living organisms to make a desired target product. In many cases, that product is a protein made in a bioreactor, which is a controlled vessel for growing cells. This process often relies on genetically engineered organisms. Engineers design the system so the cells can produce proteins at large scale. That approach is central to making biotherapeutics, which are drugs made from biological materials. Biotherapeutics are important medicines for complex diseases such as...

synthetic biology

Engineering Cells to Produce Proteins

Synthetic biology is a bioengineering method for programming cells to make useful products. In many cases, the goal is to genetically modify an organism so it can produce large amounts of a protein. That protein may already be made by the cell, or it may come from a newly inserted DNA sequence. The process depends on changing an organism’s genetic material. This is done with transformation or transfection, two common ways to introduce DNA into cells. The video also shows how this work is...

batch and continuous bioreactors

Growing Cells in Bioreactors

Bioreactors are used to grow organisms in large volumes. This makes it possible to produce large amounts of a target product. In laboratory and bioengineering settings, they provide a controlled place for cell growth and product formation. The two main reactor types are batch reactors and continuous reactors. A batch reactor contains all of the materials needed for cell growth at the start. A continuous reactor has inlet and outlet ports, so fresh growth media can be added while cell waste is...

overview of biosensing

Biosensors detect biological molecules and chemical contaminants by combining biology with physical measurement. They can identify targets such as proteins or cells, as well as non-biological molecules like chemicals or contaminants. This makes biosensing a useful field for studying and monitoring many kinds of samples. These devices rely on different signal types to find the target molecule. Some biosensors use electrical signals, while others depend on optical, electrochemical, or mechanical...

electrochemical biosensing

Glucose Sensors and Cancer Detection

Electrochemical biosensors detect target molecules by measuring an oxidation-reduction event. That signal changes when a molecule binds to the sensor surface. These sensors helped shape modern biosensing after the first glucose biosensor was invented. The glucose biosensor is a key example of this technology. It shows how electrochemical sensing can track a biological target through a measurable electrical change. The same basic idea also helps explain how electrochemical biosensors can be...

optical biosensing

Detecting Molecules with Light

Optical biosensors detect target molecules with light. They monitor binding by reading an optical signal from the sample. This makes them useful for seeing when a target molecule is present. Some optical biosensors use a label molecule. The label creates a measurable signal, such as fluorescence. Other optical biosensors are label-free and track changes in optical properties, such as refractive index, as binding occurs. This page introduces both label and label-free optical biosensors. It...

overview of tissue engineering

Building Artificial Tissue with Biomaterials

Tissue engineering uses biomaterials, specific cells, and growth factors to build artificial tissue. These engineered tissue constructs are designed for tissue repair and, in some cases, organ replacement. The field focuses on how to make tissue work like natural tissue. It begins with a scaffold, which is a structure that supports cell growth. Cells are then added to the scaffold, and growth factors help encourage proliferation, or cell multiplication. The video also outlines common methods...

histotypic tissue culture

3D Cell Growth on Engineered Matrices

Histotypic tissue culture uses an engineered three-dimensional matrix to grow and propagate cells. Compared with common two-dimensional tissue culture, cells in a 3D setting behave more realistically and better mimic native tissue. The method is useful when high cell density is needed. The process begins by harvesting cells from donor tissue. Those cells are then placed onto an engineered construct for culture. This setup supports growth in a three-dimensional space instead of a flat surface.

whole organ tissue culture

Lung Decellularization and Recellularization

Whole organs can be cultured ex vivo using specialized bioreactors to support repair or replacement of entire organs. In this approach, a donor organ is first stripped of all cells. What remains is the three-dimensional structure of the organ, which can then be repopulated with new cells. The lung is the example shown here. The method uses a dynamic culture system that provides mechanical stimulation, similar to what the organ experiences in the body. This type of culture helps induce native...

bioengineering

Esta colección abarca conceptos centrales de la bioingeniería, que incluyen la producción de biomateriales, cultivos de tejidos histotípicos y de órganos completos, técnicas de bioprocesamiento y los complejos campos de bioMEM y biodetección.

Learn how biosensors detect proteins, cells, chemicals, and contaminants using electrical, optical, electrochemical, or mechanical signals.

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