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">Biocapteurs optiques sont des capteurs qui détectent une cible biologique ou cibles d’intérêt à l’aide de la lumière. Ces dispositifs ont trouvé des applications dans les soins de santé, produits pharmaceutiques, surveillance de l’environnement, Homeland Security et même le champ de bataille. Biocapteurs optiques sont largement divisés en capteurs basée sur des étiquettes et sans étiquette. Un exemple de basée sur des étiquettes de détection est Polymerase Chain Reaction ou PCR, qui utilise des étiquettes fluorescentes ou fluorophores, pour quantifier l’ADN amplifié de cible. Un exemple d’une méthode sans étiquette est Surface Plasmon Resonance ou SPR. Ici, l’interaction de biomolécules inchangée avec la surface du capteur est quantifiée par la mesure de la caractéristique fondamentale de la sonde, comme l’angle de réflexion. Cette vidéo examine les bases de ces types de techniques de biocapteurs optiques et ses composants critiques, les principes de fonctionnement et applications courantes des biocapteurs optiques.</div><div class="chapter_text" id="script_1">Tout d’abord, penchons-nous sur les principes généraux de biodétection optique basée sur les étiquettes. En règle générale, un élément de sonde ou de bioreconnaissance, comme un anticorps gratuit, est fixé sur la surface du capteur à l’aide de chimie d’immobilisation traditionnels. La solution de l’échantillon est ensuite coulée sur la surface de capteurs. La molécule cible, qui est gratuite à l’élément bioreconnaissance immobilisé, est capturée sélective de la solution échantillon complexe. Puis la solution échantillon excès est éliminée avec un tampon ou de l’eau. Ensuite, afin de visualiser et de quantifier la quantité de la cible liée, une molécule secondaire qui est complémentaire à la cible et attaché à un fluorophore, est transmise par le système. Après un certain temps, quand la liaison de la molécule secondaire à la cible s’est produite, le fluorophore indépendant excès est éliminé. Intensité du fluorophore lié peut ensuite être quantifiée à l’aide d’un microscope à fluorescence. Tout d’abord, cette intensité est tracée pour diverses concentrations cibles connus créer une courbe d’étalonnage, ce qui permet ensuite pour la mesure directe d’une quantité indéterminée de cibles capturées. Ainsi, basée sur des étiquettes techniques utilisent l’intensité de la fluorescence des fluorophores extrêmement sensibles pour mesurer la concentration de la biomolécule d’intérêt.</div><div class="chapter_text" id="script_2">Maintenant que nous avons passé en revue les principes de biocapteurs optiques basée sur des étiquettes, nous allons jeter un oeil à un exemple couramment utilisé, la norme actuelle pour l’amplification d’ADN, PCR Quantitative ou qPCR. Le mélange réactionnel de qPCR comprend une sonde marquée pour la quantification de la réaction en temps réel. La séquence de la sonde est attachée à la fois journaliste fluorescent et molécules de l’extincteur et se lie à une séquence d’ADN spécifique. La molécule de désactiveur étanche d’émission du fluorophore tandis que deux d'entre eux sont attachés à la sonde. Au cours de la réaction PCR, l’enzyme polymérase dégrade la sonde ADN et sépare physiquement le journaliste fluorophore, empêchant ainsi la trempe et résultant en une augmentation de fluorescence. Pour effectuer le qPCR, tout d’abord ajouter tous les composants de la réaction, y compris les sondes marquées, dans un tube PCR ou bien. Ensuite, placer les puits de la PCR dans un thermocycleur spécialisé et entrer les paramètres pour chaque cycle et le nombre de cycles. Le thermocycleur utilisé pour qPCR comprend une source de lumière avec des composants optiques requis pour sélectionner une longueur d’onde et d’un détecteur pour mesurer l’intensité de la fluorescence en temps réel lors de la réaction PCR. À la fin de chaque cycle thermique, l’intensité de fluorescence en raison des Fluorophores libérés est enregistrée et tracée. L’intensité de fluorescence est directement proportionnelle au logarithme de la concentration cible dans le puits de réaction, et ainsi, pour une fluorescence connue, la concentration cible inconnue peut être calculée.</div><div class="chapter_text" id="script_3">Maintenant regardons comment de détection peut être réalisé sans les journalistes, comme fluorophores, à l’aide d’étiquette optique sans techniques de télédétection. Pour les techniques de label, l’immobilisation de l’élément bioreconnaissance est identique à la technique basée sur les étiquettes. Tout attachement biomolécule à la surface de ces capteurs modifie l’indice de réfraction dans le voisinage immédiat de l’appareil optique. Les molécules cibles se lient à la surface de l’appareil optique fonctionnalisé formant une couche mince et encore modifier l’indice de réfraction. Ces changements dans l’indice de réfraction peuvent être surveillés par le changement de la fréquence propre de vibration ou la fréquence de résonance du système de suivi. La différence dans les fréquences de résonance avant et après la liaison cible, appelé le passage de f, est directement proportionnelle à la concentration de la cible capturée.</div><div class="chapter_text" id="script_4">Maintenant nous allons jeter un regard sur les principes de base d’un couramment utilisés étiquette optiques sans détection technique, Surface Plasmon Resonance ou SPR. Un instrument typique de la SPR combine une source laser mobile, un détecteur optique pour la mesure intensité Maj et une puce du capteur avec un prisme de verre revêtu sur une face d’or. Le prisme or recouvert est intégré à un système microfluidique permettant une opération intermédiaire. Dans une expérience, la molécule sonde ou élément de bioreconnaissance, est attaché à la surface d’or. L’élément cible, puis coule sur la surface et se lie à la sonde immobilisée. La télédétection utilise le phénomène de la SPR. Cela se produit lorsque la lumière polarisée est montrée sur la surface du métal, comme l’or, à un angle précis, thêta SPR. Cela se traduit par la génération des plasmons de surface qui sont des oscillations électron cohérente qui existent à l’interface des deux matériaux qui ont des permittivités de signes opposés. Lorsque la masse fixée pour les changements de surface de capteur, la condition de résonance des plasmons de surface est altérée. Par conséquent, lorsque seulement l’élément bioreconnaissance est lié à la surface, le faisceau se trouve à un angle, thêta un. Puis, lorsque plus de masse est attaché à la surface, comme la cible capturée, une réduction de l’intensité de la lumière réfléchie à l’angle spécifique, thêta SPR est observée, comme l’angle de réflexion devient thêta deux. Le changement dans l’intensité de la lumière réfléchie à l’angle de résonance, thêta SPR, est alors une fonction de l’angle de la lumière réfléchie et peut être mesuré par la différence dans les angles, thêta un et theta deux.</div><div class="chapter_text" id="script_5">Maintenant que nous avons couvert les principes et la procédure derrière les biocapteurs optiques, nous allons voir comment les chercheurs appliquent ces techniques aujourd'hui. Le cytomètre de cellule est un système optique de biodétection qui est couramment utilisé pour le comptage des cellules et une variété de propriétés cellulaires et d’autres composants de mesure. Un échantillon composé de plusieurs types de cellules, chacune avec un fluorophore unique, le tag est préparé dans une suspension. Ensuite, l’échantillon est géré par le cytomètre de flux tels que les cellules lancer passé un faisceau laser, un à la fois. Car chaque cellule traverse le faisceau laser, dispersés et émis fluorescent lumière par les différents fluorophores sont séparément quantifiées, qui donne un dénombrement direct des différents types cellulaires dans l’échantillon. Une autre application des biocapteurs optiques est la détection de bactéries dans des échantillons. Une façon de le faire consiste à utiliser des capteurs de résonateur optique annulaire. Ils sont composés d’une boucle fermée couplée légères d’entrée et de sortie des guides d’ondes. Lorsque la lumière de longueur d’onde résonant est appliqué à la guide d’onde d’entrée, il est passé dans la boucle et une intensité s’accumule au fil de plusieurs allers-retours en raison de l’interférence constructive et est sortie sur le guide d’onde de sortie. Les anticorps spécifiques à des protéines de surface bactériennes sont immobilisés sur la surface du résonateur anneau et un spectre d’absorption de base est obtenu. Puis l’échantillon bactérienne est coulé sur la surface du résonateur permettant la fixation bactérienne au corps immobilisé, suite à un deuxième spectre d’absorption obtenu. Si la bactérie des liaisons d’intérêt, un changement visible dans les pics de résonance est observée, qui est directement proportionnelle à la concentration des bactéries cibles.</div><div class="chapter_text" id="script_6">Vous avez juste regardé les vidéo de JoVE sur biocapteurs optiques. Nous avons discuté les principes fondamentaux de basée sur les étiquettes et optique sans étiquette de détection ainsi que de deux exemples de ces méthodes et de certaines applications des techniques. Merci de regarder.</div>

aperçu de la biodétection

Biocapteurs sont des dispositifs qui utilisent un large éventail de processus biologiques et les propriétés physiques afin de détecter une molécule biologique, comme une protéine ou une cellule, ou une molécule non biologiques, tel qu’un composant chimique ou contaminant. Ce domaine interdisciplinaire utilise des propriétés électriques, optiques, électrochimiques ou même mécaniques pour détecter la présence de la molécule cible.
Cette vidéo présente le domaine des biocapteurs et passe en revue les types communs de technologies de biocapteurs. Cette vidéo aussi discute des enjeux clés dans le domaine et donne un aperçu de l’utilisation dans le domaine des biocapteurs.

Aperçu de la biodétection

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 ...

Les biocapteurs ont révolutionné les domaines de la médecine et de la biotechnologie grâce à la détection et à la caractérisation de molécules cibles dans des fluides biologiques complexes. Un biocapteur est un dispositif qui utilise une molécule réceptrice biologique, telle qu’une enzyme, pour détecter un composé spécifique. Les biocapteurs utilisent différentes méthodes, telles que l’électrochimie, les propriétés mécaniques ou l’optique, pour détecter la liaison de la molécule spécifique au récepteur. Cette vidéo présentera les biocapteurs et le domaine de la biodétection en discutant de certaines techniques de base et de certains types de biocapteurs, ainsi que de leurs applications. Tout d’abord, discutons des bases du fonctionnement d’un biocapteur typique. Un biocapteur est constitué d’un système de reconnaissance biologique, souvent appelé biorécepteur ou molécule sonde. Il s’agit généralement d’une biomolécule immobilisée, telle qu’une enzyme, un anticorps ou un acide nucléique, qui est utilisée pour capturer sélectivement une molécule cible. La liaison entre la sonde et les molécules cibles provoque un événement mesurable, tel qu’un changement de pH, un changement optique ou un événement redox. Ce changement est mesuré par le transducteur, qui convertit les informations de liaison en un signal quantifiable. Certains biocapteurs quantifient la quantité de cible liée, fournissant à l’utilisateur une concentration. Cependant, certains sont utilisés pour simplement confirmer la présence d’une molécule, comme dans un test de grossesse. Le premier biocapteur était le capteur d’oxygène développé par Leland C. Clark. Le capteur utilisait la glucose oxydase, qui est réduite lorsque le glucose se lie. En présence d’oxygène, la glucose oxydase est ensuite oxydée, produisant du peroxyde d’hydrogène dans une réaction secondaire. Lorsque le peroxyde d’hydrogène est oxydé, un électron est perdu et mesuré par l’électrode. Plus il y a d’oxygène, plus il y a de peroxyde d’hydrogène produit et plus il y a d’électrons mesurés. Cette découverte a ouvert la voie aux biocapteurs modernes. Maintenant que nous avons présenté les biocapteurs et un peu de leur histoire, jetons un coup d’œil à certains types courants de biocapteurs. Les capteurs optiques utilisent la lumière pour détecter la liaison d’une molécule cible à la molécule de sonde. Un exemple très simple est un capteur basé sur la fluorescence. Ici, la surface du capteur est recouverte d’un polymère, qui a une faible fluorescence basale. Lorsque la surface du polymère est fonctionnalisée avec la molécule de sonde, dans ce cas, de l’ADN simple brin, la fluorescence augmente. Lorsque la molécule cible, le brin d’ADN complémentaire, se lie au brin cible, l’augmentation de la fluorescence disparaît, ce qui permet à l’utilisateur de déterminer la quantité et l’emplacement de la liaison en fonction de l’intensité de la fluorescence. Un autre type courant de biocapteur est le capteur électrochimique, qui utilise des électrodes pour détecter les réactions redox entre la sonde et les molécules cibles. Cela se fait généralement à l’aide d’une enzyme liée à la surface de l’électrode. Lorsque la molécule cible se lie à l’enzyme sous un potentiel appliqué spécifique, la réduction ou l’oxydation du complexe se produit. Cela crée un surplus ou un déficit d’électrons, qui est directement proportionnel à la quantité de molécule cible liée. Le domaine de la biodétection n’est pas sans défis. Tout d’abord, l’un des principaux défis est la contamination de la surface du biocapteur par d’autres molécules de l’échantillon, appelée biofouling, qui peut se produire dans des mélanges complexes. Cette contamination peut empêcher les molécules de la sonde de détecter la molécule cible dans l’échantillon, diminuant ainsi considérablement la capacité de détection du capteur. Par conséquent, certains biocapteurs ont une durée de vie limitée et sont soit régénérés, soit éliminés. Des revêtements anti-biosalissure peuvent également être mis au point pour atténuer cet effet. La limite de détection d’un capteur fait référence à la quantité la plus faible de substance qui peut être distinguée de manière fiable de l’absence de cette substance. Une limite de détection basse est avantageuse pour détecter avec certitude des quantités infimes d’une substance, la détection d’une seule molécule étant le scénario idéal. Cependant, cela peut être difficile, car de faibles concentrations entraînent souvent des signaux faibles qui sont inférieurs au bruit et sont difficiles à quantifier. Une grande partie de la recherche actuelle vise à améliorer les limites de détection en améliorant l’efficacité de liaison et en réduisant le bruit. Maintenant que nous avons discuté de certains types courants de biocapteurs ainsi que de leurs défis, jetons un coup d’œil à certaines applications de ces concepts de base. Un capteur couramment utilisé est la microbalance à cristal de quartz, ou QCM. QCM se compose de deux électrodes d’or séparées par un cristal de quartz, qui a des propriétés piézoélectriques. Lorsqu’un courant alternatif est appliqué, des oscillations avec une fréquence de résonance spécifique sont induites. Cette fréquence de résonance change lorsque les molécules se lient à la surface. Ce changement est utilisé pour détecter la liaison des molécules cibles et la quantité. Les cantilevers spécialisés utilisent des propriétés mécaniques pour détecter la liaison des molécules cibles. Ici, les cantilevers sont fonctionnalisés avec des molécules de sonde, puis exposés à la molécule cible. Lors de la liaison de la molécule cible, le porte-à-faux dévie en raison des modifications de la contrainte de surface. Cette déviation est ensuite mesurée à l’aide d’un laser. Vous venez de regarder l’aperçu de la biodétection de JoVE. Vous devriez maintenant être familiarisé avec les bases des biocapteurs, certains types de capteurs clés et leurs défis, ainsi que certaines applications sur le terrain. Merci d’avoir regardé.

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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

Cette collection couvre les concepts fondamentaux de la bio-ingénierie, comprenant la production de biomatériaux, la culture en 3 dimensions et la culture d'organes, les techniques de biotraitement et les domaines des systèmes complexes que sont les bioMEM et la biodétection.

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

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