חישה ביולוגית אופטית

ביו-סנסורים אופטיים הם חיישנים המזהים מטרה ביולוגית או מטרות מעניינות באמצעות אור. מכשירים אלה מצאו יישומים בתחום הבריאות, תרופות, ניטור סביבתי, ביטחון המולדת, ואפילו בשדה הקרב. ביו-סנסורים אופטיים מחולקים באופן נרחב לחיישנים מבוססי תוויות וללא תוויות. דוגמה של חישה מבוססת תווית היא תגובת שרשרת פולימראז, או PCR, המשתמש בתוויות פלואורסצנטיות, או פלואורופורים, כדי לכמת את ה- DNA היעד המוגבר. דוגמה לשיטה נטולת תוויות היא תהודה של פלסמון משטח, או SPR. כאן, אינטראקציית הביו-מולולקולס ללא שינוי עם משטח החיישן מכומתת על ידי מדידת מאפיין בסיסי של החיישן, כמו זווית ההשתקפות. וידאו זה סוקר את היסודות של שני סוגים אלה של טכניקות biosensing אופטי ואת הרכיבים הקריטיים שלה, את עקרונות העבודה ואת היישומים המשותפים של biosensors אופטי.

ראשית, הבה נבחן את העקרונות הכלליים של רגישות אופטית מבוססת תווית. בדרך כלל, בדיקה או אלמנט biorecognition, כמו נוגדן חינם, מחובר על פני השטח של החיישן באמצעות כימיית immobilization מסורתית. הפתרון לדוגמה זורם לאחר מכן על פני השטח של החיישנים. מולקולת המטרה, המשלימה לאלמנט הביו-רה-מולקולציה משותק, נלכדת באופן סלקטיבי מפתרון הדגימה המורכב. ואז הפתרון מדגם עודף נשטף עם חוצץ או מים. לאחר מכן, כדי לעזור לדמיין ולכמת את כמות המטרה הכבולה, מולקולה משנית שהיא מחמיאה למטרה ומחוברת לפלורופור, זורמת דרך המערכת. לאחר זמן מה, כאשר הכריכה של המולקולה המשנית למטרה התרחשה, פלואורופור עודף לא מאוגד נשטף. לאחר מכן ניתן לכמת את עוצמת הפלואורופור הכבול באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי. עוצמה זו מתווכת תחילה עבור ריכוזי יעד ידועים שונים כדי ליצור עקומת כיול, אשר לאחר מכן מאפשר מידה ישירה של כמות לא ידועה של מטרה שנתפסה. לכן, טכניקות מבוססות תווית להשתמש בעוצמת הפלואורסצנטיות של פלואורופור רגיש מאוד כדי לכמת את הריכוז של הביומולקול של עניין.

כעת, לאחר שבדקנו את העקרונות של ביו-סנסורים אופטיים מבוססי תוויות, בואו נבחן דוגמה נפוצה, התקן הנוכחי להגברת DNA, PCR כמותי או qPCR. תמהיל התגובה של qPCR כולל בדיקה מסומנת לכימות תגובה בזמן אמת. רצף הבדיקה מחובר הן לכתב פלואורסצנטי והן למולקולות קוונצ'ר, ונקשר לרצף דנ"א ספציפי. מולקולת הקוונצ'ר מרווה את פליטת הפלורופור בזמן ששניהם מחוברים לגשוש. במהלך תגובת ה- PCR, האנזים פולימראז משפיל את ה- DNA של הבדיקה ומפריד פיזית את כתב הפלורופור, ובכך מונע מרווה וכתוצאה מכך עלייה בפלואורסצנטיות. כדי לבצע qPCR, תחילה להוסיף את כל הרכיבים של התגובה, כולל בדיקות שכותרתו, לתוך צינור PCR או היטב. לאחר מכן, למקם את בארות PCR לתוך thermocycler מיוחד ולהזין את הפרמטרים עבור כל מחזור ואת מספר המחזורים. התרמו-מחזור המשמש ל- qPCR כולל מקור אור עם הרכיבים האופטיים הנדרשים לבחירת אורך גל וגלאי למדידת עוצמת הפלואורסצנטיות בזמן אמת במהלך תגובת ה- PCR. בסוף כל מחזור תרמי, עוצמת הפלואורסצנטית עקב הפלורופורים המשוחררים מתועדת ומתוכננת. עוצמת הפלואורסצנטית היא פרופורציונלית ישירות ללוגריתם של ריכוז המטרה בתגובה היטב, ולכן, עבור פלואורסצנטיות ידועה, ניתן לחשב את ריכוז היעד הלא ידוע.

הבה נבחן כעת כיצד ניתן להשיג חישה ללא כתבים, כמו פלואורופורים, תוך שימוש בטכניקות חישה אופטיות ללא תוויות. עבור טכניקות ללא תוויות, חוסר ההשתקה של אלמנט הביו-רה-קוניציה זהה לטכניקה המבוססת על תווית. כל התקשרות ביו-מולקולית לפני השטח של חיישנים אלה משנה את אינדקס השחלור בסביבה הקרובה של המכשיר האופטי. מולקולות המטרה נקשרות לפני השטח של המכשיר האופטי המתפקד ויוצרות שכבה דקה ומשנות עוד יותר את אינדקס השבירה. שינויים אלה באינדקס שבירה ניתן לפקח על ידי מעקב אחר השינוי בתדירות הטבעית של רטט, או תדירות מהדהד של המערכת. ההבדל בתדרי הדהודה לפני ואחרי כריכת המטרה, הנקראת f shift, הוא פרופורציונלי ישירות לריכוז המטרה שנתפסה.

עכשיו בואו נסתכל על העקרונות הבסיסיים של טכניקת חישה אופטית נפוצה ללא תוויות, תהודה פלסמון פני השטח, או SPR. מכשיר SPR טיפוסי משלב מקור לייזר ניתן להזזה, גלאי אופטי למדידת תזוזת עוצמת, ושבב חיישן עם מנסרת זכוכית מצופה בצד אחד בזהב. הפריזמה המכוסה בזהב משולבת עם מערכת נוזלית המאפשרת פעולת זרימה. בניסוי, מולקולת הגשושית, או אלמנט הביו-כרה, מחוברת לפני הזהב. אלמנט המטרה זורם על פני השטח ונקשר לגשוש משותק. החישה מנצלת את תופעת ה- SPR. זה קורה כאשר אור מקוטב מוצג על פני השטח של מתכת, כמו זהב, בזווית מסוימת, תטא SPR. התוצאה היא יצירת פלסמונים פני השטח שהם תנודות אלקטרונים קוהרנטיות הקיימות בממשק של שני חומרים המאפשרים סימנים מנוגדים. כאשר המסה המחוברת לפני השטח של החיישן משתנה, מצב התהודה של פלסמונים פני השטח משתנה. כתוצאה מכך, כאשר רק אלמנט הביו-כרה קשור על פני השטח, הקרן משתקפת בזווית אחת, תטא אחת. לאחר מכן, כאשר מסת יותר מחוברת לפני השטח, כמו המטרה שנתפסה, הפחתת עוצמת האור המוחזר בזווית הספציפית, תטא SPR נצפתה, כאשר זווית ההשתקפות משתנה לתטא 2. השינוי בעוצמת האור המוחזר בזווית התהודה, תטא SPR, הוא פונקציה של זווית האור המוחזר, וניתן למדוד אותו כהבדל בזוויות, תטא 1 ותטא 2.

כעת, לאחר שכיסינו את העקרונות והפרוצדורות שמאחורי ביו-סנסורים אופטיים, בואו נראה כיצד חוקרים מיישמים את הטכניקות הללו כיום. cytometer תא הזרימה היא מערכת biosensing אופטי המשמשת בדרך כלל לספירת תאים ומדידת מגוון רחב של תכונות ורכיבים תאיים אחרים. מדגם המורכב מסוגי תאים מרובים, כל אחד מתויג עם פלואורופור ייחודי, מוכן במתלה. לאחר מכן, המדגם הוא לרוץ דרך cytometer הזרימה כך התאים לרוץ על פני קרן לייזר אחד בכל פעם. כאשר כל תא עובר דרך קרן הלייזר, אור פלואורסצנטי מפוזר ונפלט על ידי הפלורופורים השונים מכומתים בנפרד, מה שנותן ספירה ישירה של סוגי התאים השונים במדגם. יישום נוסף של biosensors אופטי הוא זיהוי של חיידקים בדגימות. דרך אחת לעשות זאת היא באמצעות חיישני מהדהד טבעת אופטיים. הם מורכבים לולאה סגורה בשילוב קלט אור ומדריכי גל פלט. כאשר אור של אורך גל מהדהד מוחל על מדריך גל הקלט, הוא מועבר דרך הלולאה ובונה עוצמה על פני נסיעות הלוך ושוב מרובות עקב הפרעות קונסטרוקטיביות והוא פלט למדריך גל הפלט. נוגדנים ספציפיים לחלבוני פני השטח החיידקיים משותקים על פני השטח של מהדהד הטבעת ומתקבל ספקטרום ספיגה בסיסי. לאחר מכן דגימת החיידקים זורמת על פני השטח של המהדהד כדי לאפשר קשירה חיידקית לגוף משותק, ולאחר מכן מתקבל ספקטרום ספיגה שני. אם החיידק של עניין נקשר, שינוי גלוי בפסגות מהדהד הוא ציין, אשר פרופורציונלי ישירות לריכוז של חיידקי היעד.

הרגע צפית בסרטון של ג'וב על חישה אופטית. דנו בעקרונות הבסיסיים של חישה אופטית מבוססת תוויות וללא תוויות יחד עם שתי דוגמאות בולטות של שיטות אלה וכמה יישומים של הטכניקות. תודה שצפיתם.