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">
הביו-סנסורים חוללו מהפכה בתחומי הרפואה והביוטכנולוגיה באמצעות איתור ואפיון של מולקולות מטרה בנוזלים ביולוגיים מורכבים. ביו-סנסור הוא מכשיר המשתמש במולקולת קולטן ביולוגי, כגון אנזים, כדי לזהות תרכובת ספציפית. Biosensors להשתמש בשיטות שונות, כגון אלקטרוכימיה, תכונות מכניות, או אופטיקה, כדי לזהות את הכריכה של המולקולה הספציפית לקולטן. וידאו זה יציג biosensors ואת שדה biosensing על ידי דיון כמה טכניקות בסיסיות וסוגים של biosensors, כמו גם היישומים שלהם.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_1">
ראשית, בואו נדון ביסודות של איך אופן הפעולה של ביו-סנסור טיפוסי. ביו-סנסור מורכב ממערכת זיהוי ביולוגית, הנקראת לעתים קרובות ביו-קולטן או מולקולת הגשושית. זהו בדרך כלל ביומולקולה משותקת, כגון אנזים, נוגדן או חומצת גרעין, המשמשת ללכידה סלקטיבית של מולקולת מטרה. הכריכה בין הגשושית למולקולות היעד גורמת לאירוע מדיד, כגון שינוי pH, שינוי אופטי או אירוע redox. שינוי זה נמדד על-ידי המתמר, הממיר את המידע המחייב לאות הניתן לכימות. כמה biosensors לכמת את כמות היעד מאוגד, מתן המשתמש עם ריכוז. עם זאת, חלקם משמשים פשוט כדי לאשר את נוכחותה של מולקולה, כמו בבדיקת הריון. הביו-סנסור הראשון היה חיישן החמצן שפותח על ידי לילנד סי קלארק. החיישן השתמש גלוקוז אוקסידאז, אשר מופחת כאשר גלוקוז נקשר. בנוכחות חמצן, גלוקוז אוקסידאז הוא אז חמצון, לייצר מי חמצן בתגובת צד. כאשר מי חמצן מחומצן, אלקטרון הולך לאיבוד ונמדד על ידי האלקטרודה. ככל שיש יותר חמצן, כך מיוצר יותר מי חמצן ויותר אלקטרונים נמדדים. תגלית זו סללה את הדרך עבור biosensors מודרניים. עכשיו שהצגנו ביו-סנסורים וקצת מההיסטוריה שלהם, בואו נסתכל על כמה סוגים נפוצים של ביו-סנסורים.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_2">
חיישנים אופטיים משתמשים באור כדי לזהות את הכריכה של מולקולת מטרה למולקולת הגשוש. דוגמה פשוטה מאוד היא חיישן מבוסס פלואורסצנטיות. כאן, פני השטח של החיישן מצופים בפולימר, אשר יש פלואורסצנטיות בזאלית נמוכה. כאשר פני השטח הפולימריים מתפקדים עם מולקולת הגשושית, במקרה זה, דנ"א חד-גדילי, הפלואורסצנטיות עולה. כאשר מולקולת היעד, גדיל ה- DNA המשלים, נקשרת לגדיל היעד, הפלואורסצנטיות המוגברת נעלמת, ומאפשרת למשתמש לקבוע את הכמות והמיקום של הכריכה בהתבסס על עוצמת הפלואורסצנטיות. סוג נפוץ נוסף של ביו-סנסור הוא החיישן האלקטרוכימי, המשתמש באלקטרודות כדי לחוש בתגובות נוקס מחדש בין הגשושית למולקולות היעד. זה נעשה בדרך כלל באמצעות אנזים הקשור אל פני השטח אלקטרודה. כאשר מולקולת היעד נקשרת לאנזים תחת פוטנציאל יישומי מסוים, מתרחשת הפחתה או חמצון של המתחם. זה יוצר עודף או גירעון של אלקטרונים, שהוא פרופורציונלי ישירות לכמות מולקולת היעד הכבולה.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_3">
תחום הרגישות הביולוגית אינו נטול אתגרים. ראשית, אתגר מרכזי אחד הוא זיהום פני השטח הביו-סנסור על ידי מולקולות אחרות במדגם, הנקראות ביופולינג, אשר יכול להתרחש בתערובות מורכבות. זיהום זה יכול לחסום את מולקולות הגשוש מלחוש את מולקולת המטרה במדגם, ובכך להפחית מאוד את יכולת הזיהוי של החיישן. כתוצאה מכך, כמה biosensors יש חיים מוגבלים והם גם מחדשים או מסולקים. לחלופין, ציפויים נגד biofouling עשויים להיות מפותחים כדי למתן את האפקט הזה. מגבלת הזיהוי של חיישן מתייחסת לכמות הנמוכה ביותר של חומר שניתן להבחין אמין בין היעדר חומר זה. מגבלת זיהוי נמוכה היא יתרון בזיהוי כמויות זעירות של חומר בוודאות, עם זיהוי מולקולה אחת להיות התרחיש האידיאלי. עם זאת, זה יכול להיות קשה, כמו ריכוזים נמוכים לעתים קרובות לגרום אותות חלשים כי הם מתחת לרעש וקשה לכמת. חלק גדול מהמחקר הנוכחי נועד לשפר את מגבלות הזיהוי על ידי שיפור היעילות הכריכה והפחתת הרעש.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_4">
כעת, לאחר שדיברנו על כמה סוגים נפוצים של ביו-סנסורים יחד עם האתגרים שלהם, בואו נסתכל על כמה יישומים של מושגים בסיסיים אלה. חיישן נפוץ הוא מיקרו-איזון גביש קוורץ, או QCM. QCM מורכב משתי אלקטרודות זהב המופרדות על ידי גביש קוורץ, אשר יש תכונות פיזואלקטריות. כאשר מוחל זרם מתחלף, תנודות עם תדר מהדהד מסוים מושרות. תדר מהדהד זה משתנה כאשר מולקולות נקשרות לפני השטח. שינוי זה משמש לזיהוי הכריכה של מולקולות היעד והכמות. cantilevers מיוחדים להשתמש תכונות מכניות כדי לזהות את הכריכה של מולקולות היעד. כאן, הקנטילוורים עוברים פונקציות עם מולקולות בדיקה ואז נחשפים למולקולת המטרה. עם כריכת מולקולת המטרה, הקנטילוור מסיט עקב השינויים בלחץ פני השטח. הסטה זו נמדדת לאחר מכן באמצעות לייזר.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_5">
הרגע צפיתם בסקירה הכללית של JoVE על חישת ביולוגית. עכשיו אתה צריך להכיר את היסודות של biosensors, כמה סוגים מרכזיים של חיישנים ואת האתגרים שלהם, כמו גם כמה יישומים בתחום. תודה שצפיתם.
</div>

מבט כולל על רגישות ביולוגית

Biosensors הם מכשירים המשתמשים במגוון רחב של תהליכים ביולוגיים ומאפיינים פיזיים על מנת לזהות מולקולה ביולוגית, כגון חלבון או תא, או מולקולה לא ביולוגית, כגון רכיב כימי או מזהם. תחום בינתחומי זה משתמש בתכונות חשמליות, אופטיות, אלקטרוכימיות או אפילו מכניות כדי לזהות את נוכחותה של מולקולת היעד.
וידאו זה מציג את תחום הרגישות הביולוגית, וסוקר סוגים נפוצים של טכנולוגיות biosensor. סרטון וידאו זה דן גם באתגרים מרכזיים בתחום ומספק תובנות לגבי אופן השימוש בביוסנסורים בשטח.

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 ...

חיישנים ביולוגיים חוללו מהפכה בתחומי הרפואה והביוטכנולוגיה באמצעות זיהוי ואפיון של מולקולות מטרה בנוזלים ביולוגיים מורכבים. חיישן ביולוגי הוא מכשיר המשתמש במולקולת קולטן ביולוגית, כגון אנזים, כדי לזהות תרכובת ספציפית. חיישנים ביולוגיים משתמשים בשיטות שונות, כגון אלקטרוכימיה, תכונות מכניות או אופטיקה, כדי לזהות את הקישור של המולקולה הספציפית לקולטן. סרטון זה יציג את הביו-חיישנים ואת תחום החישה הביולוגית על ידי דיון בכמה טכניקות וסוגים בסיסיים של חיישנים ביולוגיים כמו גם היישומים שלהם. ראשית, בואו נדון ביסודות של אופן הפעולה של חיישן ביולוגי טיפוסי. חיישן ביולוגי מורכב ממערכת זיהוי ביולוגית, הנקראת לעתים קרובות קולטן ביולוגי או מולקולת הבדיקה. בדרך כלל מדובר בביו-מולקולה משותקת, כגון אנזים, נוגדן או חומצת גרעין, המשמשת ללכידה סלקטיבית של מולקולת מטרה. הקישור בין הגשושית למולקולות המטרה גורם לאירוע מדיד, כגון שינוי pH, שינוי אופטי או אירוע חמצון. שינוי זה נמדד על ידי המתמר, הממיר את המידע המחייב לאות הניתן לכימות. חלק מהחיישנים הביולוגיים מכמתים את כמות המטרה הקשורה ומספקים למשתמש ריכוז. עם זאת, חלקם משמשים פשוט כדי לאשר נוכחות של מולקולה, כמו בבדיקת הריון. החיישן הביולוגי הראשון היה חיישן החמצן שפותח על ידי לילנד סי קלארק. החיישן השתמש בגלוקוז אוקסידאז, אשר מופחת כאשר גלוקוז נקשר. בנוכחות חמצן, גלוקוז אוקסידאז מתחמצן, ומייצר מי חמצן בתגובת לוואי. כאשר מי חמצן מתחמצנים, אלקטרון הולך לאיבוד ונמדד על ידי האלקטרודה. ככל שיש יותר חמצן, כך נוצר יותר מי חמצן ונמדדים יותר אלקטרונים. תגלית זו סללה את הדרך לביו-חיישנים מודרניים. כעת, לאחר שהצגנו חיישנים ביולוגיים וקצת מההיסטוריה שלהם, בואו נסתכל על כמה סוגים נפוצים של חיישנים ביולוגיים. חיישנים אופטיים משתמשים באור כדי לזהות את הקישור של מולקולת מטרה למולקולת הבדיקה. דוגמה פשוטה מאוד היא חיישן מבוסס פלואורסצנטי. כאן, פני החיישן מצופים בפולימר, בעל פלואורסצנטיות בסיסית נמוכה. כאשר משטח הפולימר מתפקד עם מולקולת הבדיקה, במקרה זה, DNA חד-גדילי, הקרינה עולה. כאשר מולקולת המטרה, גדיל ה-DNA המשלים, נקשרת לגדיל המטרה, הקרינה המוגברת נעלמת, ומאפשרת למשתמש לקבוע את כמות ומיקום הקישור על סמך עוצמת הקרינה. סוג נפוץ נוסף של חיישן ביולוגי הוא החיישן האלקטרוכימי, המשתמש באלקטרודות כדי לחוש תגובות חמצון חיזור בין הגשושית למולקולות המטרה. זה נעשה בדרך כלל באמצעות אנזים הקשור למשטח האלקטרודה. כאשר מולקולת המטרה נקשרת לאנזים תחת פוטנציאל מיושם ספציפי, מתרחשת הפחתה או חמצון של הקומפלקס. זה יוצר עודף או גירעון של אלקטרונים, שהוא ביחס ישר לכמות מולקולת המטרה הקשורה תחום החישה הביולוגית אינו חף מאתגרים. ראשית, אתגר מרכזי אחד הוא זיהום פני השטח של החיישן הביולוגי על ידי מולקולות אחרות בדגימה, הנקרא ביו-פאולינג, שיכול להתרחש בתערובות מורכבות. זיהום זה יכול לחסום את מולקולות הבדיקה מלחוש את מולקולת המטרה בדגימה, ובכך להפחית מאוד את יכולת הזיהוי של החיישן. כתוצאה מכך, לחלק מהחיישנים הביולוגיים יש אורך חיים מוגבל והם מתחדשים או נפטרים. לחלופין, ניתן לפתח ציפויים נגד ביו-פאולינג כדי להפחית את ההשפעה הזו. גבול הזיהוי של חיישן מתייחס לכמות הנמוכה ביותר של חומר שניתן להבחין באופן אמין מהיעדר אותו חומר. מגבלת זיהוי נמוכה היא יתרון בזיהוי כמויות עקבות של חומר בוודאות, כאשר זיהוי מולקולה בודדת הוא התרחיש האידיאלי. עם זאת, זה יכול להיות קשה, מכיוון שריכוזים נמוכים גורמים לרוב לאותות חלשים שנמצאים מתחת לרעש וקשה לכמת אותם. חלק ניכר מהמחקר הנוכחי מכוון לשיפור גבולות הגילוי על ידי שיפור יעילות הקישור והפחתת הרעש. כעת, לאחר שדנו בכמה סוגים נפוצים של חיישנים ביולוגיים יחד עם האתגרים שלהם, בואו נסתכל על כמה יישומים של מושגים בסיסיים אלה. חיישן נפוץ הוא מיקרו-איזון גביש קוורץ, או QCM. QCM מורכב משתי אלקטרודות זהב המופרדות על ידי גביש קוורץ, בעל תכונות פיזואלקטריות. כאשר מופעל זרם חילופין, נגרמות תנודות בתדר תהודה ספציפי. תדר תהודה זה משתנה כאשר מולקולות נקשרות לפני השטח. שינוי זה משמש לזיהוי הקישור של מולקולות המטרה והכמות. שלוחים מיוחדים משתמשים בתכונות מכניות כדי לזהות את הקישור של מולקולות מטרה. כאן, השלוחים מתפקדים עם מולקולות בדיקה ולאחר מכן נחשפים למולקולת המטרה. עם קשירת מולקולת המטרה, השלוחה מוסטת עקב השינויים בלחץ פני השטח. סטייה זו נמדדת לאחר מכן באמצעות לייזר. זה עתה צפיתם בסקירה הכללית של JoVE על חישה ביולוגית. כעת עליכם להכיר את היסודות של חיישנים ביולוגיים, כמה סוגי חיישנים מרכזיים והאתגרים שלהם, כמו גם כמה יישומים בתחום. תודה שצפית.

Education

JoVE Science Education

Engineering

הנדסה

Bioengineering

הנדסה ביולוגית

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

This collection covers core bioengineering concepts, which include production of biomaterials, histotypic and whole organ tissue cultures, bioprocessing techniques, and the complex system-level fields of bioMEMs and biosensing.


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

How Biosensors Detect Molecules

Description

Transcript