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">光バイオ センサーは、生物学的対象や光を使用して興味のターゲットを検出するセンサーです。これらのデバイスは、医療、医薬品、環境モニタリング、国土安全保障とも戦場のアプリケーションを発見しました。光バイオ センサーは、ラベルとラベル無料センサーにより大別されます。感知ラベル ベースの例はポリメラーゼの連鎖反応、または PCR 増幅対象 DNA を定量化する蛍光ラベルまたは蛍光物質を使用します。ラベル無料メソッドの例は表面プラズモン共鳴、またはスプレーです。ここでは、センサー表面と不変の生体分子の相互作用は、反射角度のように、センサーの基本特性を測定することによって定量化されます。このビデオは、光によるバイオセンシング技術のこれらの種類とその重要なコンポーネント、動作原理と光バイオ センサーの一般的なアプリケーションの両方の基礎をレビューします。</div><div class="chapter_text" id="script_1">まず、ラベルに基づく光によるバイオセンシングの一般原則を見てみましょう。通常、無料の抗体のようなプローブまたは生体認識要素が伝統的な固定化化学を用いたセンサーの表面に接続されます。サンプル ソリューションがセンサー表面に流れます。無料で固定された生体認識要素、ターゲット分子は、複雑なサンプル ソリューションから選択的にキャプチャされます。その後、余分なサンプル ソリューションはバッファーか水で洗い流されます。次に、視覚化し、バインドされているターゲットの量を定量化するために、ターゲットに無料であり、蛍光体に接続されているセカンダリ分子はシステムを通して流れます。ターゲットにセカンダリの分子の結合が発生した場合、いくつかの時間後余分な非連結 fluorophore は洗い流されました。バインドされた蛍光の強度は、蛍光顕微鏡を用いた定量化することができます。この強さは、キャプチャされたターゲットの未知の量を直接測定するため、検量線を作成する様々 な知られているターゲット濃度のプロット最初されます。したがって、ラベル ベースの技術は興味の分子の濃度を定量化するのに非常に敏感な蛍光物質の蛍光強度を使用します。</div><div class="chapter_text" id="script_2">今ではラベルに基づく光学バイオ センサーの原理については、一般的に使用される例では、qPCR や量的な PCR 増幅 DNA の現在の規格でみましょう。QPCR 反応混合物には、リアルタイムの反応の定量化のための分類されたプローブが含まれています。プローブ シーケンスは、蛍光レポーターとクェンチャー分子の両方に接続されている、特定の DNA 配列にバインドされます。それらの両方は、プローブに接続されている間、クェンチャー分子消光蛍光体の発光です。PCR の反作用の間にポリメラーゼの酵素はプローブ DNA を低下し、焼入および蛍光性の増加の結果を防ぐ蛍光レポーターを物理的に分離します。QPCR を実行するには、最初の反応、PCR チューブに分類されたプローブを含むすべてのコンポーネントを追加またはよきます。次に、専門たちに PCR 井戸を配置し、各サイクルとサイクル数のパラメーターを入力します。QPCR 用たちには、光源波長と PCR の反作用の間にリアルタイムで蛍光強度を測定する検出器を選択する必要な光コンポーネントが含まれています。各々 の熱サイクルの終わりにリリースされた蛍光物質による蛍光強度記録およびプロットします。蛍光強度は反応よくターゲット濃度の対数に比例し、知られている蛍光性のための不明なターゲット濃度を計算できるため。</div><div class="chapter_text" id="script_3">今を見てみましょうを使用し、蛍光物質のような任意の記者なしセンシングを実現する方法ラベル無料光センシング技術。ラベル無料技術、生体認識要素の固定はラベル ベースの手法と同じです。生体分子アッタチメントを表面にこれらのセンサーは、光デバイスのすぐ近くの屈折を変更します。標的となる分子は、薄層を形成し、さらに屈折の変更機能性光デバイスの表面にバインドします。振動の固有振動数やシステムの共振周波数の変化を追跡することによって、屈折率でこれらの変更を監視できます。F シフトと呼ばれる標的結合の前後に共鳴周波数の違いは、キャプチャされたターゲットの濃度に正比例します。</div><div class="chapter_text" id="script_4">今の一般的に使用されるラベル無料光センシング技術、表面プラズモン共鳴、またはスプレーの基本原理を見てみましょう典型的な SPR 装置は、金で片面にコーティングしたガラス プリズムと可動光源、shift キー強度測定、およびセンサー チップの光検出器を組み合わせたもの。金で覆われたプリズムは、流体システム フローを通じて操作を有効にすると統合されます。実験では、プローブ分子や生体認識要素、金の表面に添付されます。ターゲット要素は表面上の流れし、固定化したプローブにバインドされます。センシング SPR 現象を利用しています。シータ スプレー偏光光を特定の角度で、金のような金属の表面に表示するときにこれが発生しますこれは、結果、符号が反対の誘電率を持つ 2 つの物質の界面に存在するコヒーレント電子振動である表面プラズモンの生成。質量は、センサー表面の変化に接続されている、表面プラズモンの共鳴条件が変更されます。その結果、表面に生体認識要素のみをバインドすると、1 つの角度、1 つ θ でビームが反映されます。その後より多くの固まりがキャプチャされたターゲットのような表面に接続されての強度の減少の 2 シータへの反射角度の変更とシータ SPR を観察すると、特定の角度で光が反映されます。シータ SPR、共鳴角度で反射した光の強度の変化は、反射光の角度の関数は、および角度、θ 1 と θ 2 の差として測定することができます。</div><div class="chapter_text" id="script_5">原理と光バイオ センサーの後ろに手順について説明しましたが、研究者がどのようにこれらのテクニックを今日適用を見てみましょう。フローサイト セルはセルを数えるとさまざまな他の携帯電話のプロパティとコンポーネントの測定で用いられる光によるバイオセンシング システムです。複数細胞の種類があり、それぞれユニークな蛍光が付いたからなるサンプルは、懸濁液で準備されます。その後、サンプルは、一度に 1 つレーザービーム過去セルを実行するよう流れの cytometer を介して実行されます。各セル通過レーザー光、散乱され放出される蛍光によって異なる光 fluorophores が付いて、別々 に定量化、サンプルで直接種々 の細胞数を与えます。光バイオ センサーの別のアプリケーションは、サンプル中の細菌の検出です。これを行う 1 つの方法は、光リング共振器のセンサーを使用してです。彼らは、光入力と出力波ガイドと結合した閉ループで構成されています。共振波長の光を入力波ガイドを適用すると、建設的な干渉のための複数のラウンド トリップに強度を構築し、出力波ガイドへの出力ループを通じて渡されるそれ。細菌の表面タンパク質に特異抗体にリング共振器表面に固定化され、ベースライン吸収スペクトルが得られます。その後、細菌のサンプルは次の 2 番目の吸収スペクトルが得られる固定の体に細菌をバインドできるようにする共振器表面に流れていた。関心バインド、共振ピークで目に見える変化の細菌が観察される場合直接標的細菌の濃度に比例してであります。</div><div class="chapter_text" id="script_6">光によるバイオセンシングのゼウスのビデオを見てきただけ。これらのメソッドの 2 つの顕著な例と技術のいくつかのアプリケーション ラベル ベースおよびラベル無料光センシングの基本原則について話し合った。見ていただきありがとうございます。</div>

バイオセンシングの概要

バイオ センサーは、タンパク質や細胞などの生体分子や化学成分や汚染物質などの非生物分子を検出するために生物学的過程と物理特性の広い範囲を使用するデバイスです。 この学際的な分野は、標的分子の存在を検出する電気、光学、電気化学的、またはさらには機械的特性を利用しています。
このビデオは、バイオセンシングの分野を紹介し、バイオ センサー技術の一般的な種類をレビューします。 このビデオはまたフィールドにおける主要な課題について説明します、フィールドでのバイオ センサーの使用方法に洞察力を提供します。

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 ...

バイオセンサーは、複雑な体液中の標的分子の検出と特性評価を通じて、医学とバイオテクノロジーの分野に革命をもたらしました。バイオセンサーとは、酵素などの生体受容体分子を用いて、特定の化合物を検出するデバイスです。バイオセンサーは、電気化学、機械的特性、光学などのさまざまな方法を使用して、特定の分子の受容体への結合を検出します。このビデオでは、バイオセンサーとバイオセンシングの分野について、バイオセンサーの基本的な技術や種類、およびその応用について紹介します。まず、一般的なバイオセンサーの仕組みの基本について説明します。バイオセンサーは、生体認識システム(バイオレセプターまたはプローブ分子と呼ばれることが多い)で構成されています。これは通常、酵素、抗体、核酸などの固定化された生体分子であり、標的分子を選択的に捕捉するために使用されます。プローブと標的分子との結合により、pH変化、光学的変化、酸化還元イベントなどの測定可能なイベントが発生します。この変化はトランスデューサーによって測定され、トランスデューサーは結合情報を定量化可能な信号に変換します。一部のバイオセンサーは、結合したターゲットの量を定量化し、ユーザーに濃度を提供します。ただし、妊娠検査のように、分子の存在を単に確認するために使用されるものもあります。最初のバイオセンサーは、リーランド・C・クラークが開発した酸素センサーでした。このセンサーは、グルコースが結合すると還元されるグルコースオキシダーゼを利用しました。酸素の存在下では、グルコースオキシダーゼが酸化され、副反応で過酸化水素が生成されます。過酸化水素が酸化されると、電子が失われ、電極によって測定されます。酸素が多ければ多いほど、過酸化水素が多く生成され、より多くの電子が測定されます。この発見は、現代のバイオセンサーへの道を開きました。バイオセンサーとその歴史を少し紹介したところで、一般的なバイオセンサーの種類をいくつか見てみましょう。光学センサーは、光を使用して、標的分子のプローブ分子への結合を検出します。非常に簡単な例は、蛍光ベースのセンサーです。ここでは、センサーの表面は、基礎蛍光が低いポリマーでコーティングされています。ポリマー表面がプローブ分子(この場合は一本鎖DNA)で官能基化されると、蛍光が増加します。標的分子である相補的DNA鎖が標的鎖に結合すると、蛍光の増加はなくなり、ユーザーは蛍光強度に基づいて結合の量と位置を決定できるようになります。バイオセンサーのもう一つの一般的なタイプは、電極を使用してプローブと標的分子との間の酸化還元反応を感知する電気化学センサーです。これは通常、電極表面に結合した酵素を使用して行われます。標的分子が特定の印加電位で酵素に結合すると、複合体の還元または酸化が起こります。これにより、電子の過剰または不足が生じ、これは結合した標的分子の量に正比例します。バイオセンシングの分野には課題がないわけではありません。まず、重要な課題の1つは、サンプル内の他の分子によるバイオセンサー表面の汚染、つまりバイオファウリングであり、これは複雑な混合物で発生する可能性があります。この汚染により、プローブ分子がサンプル中の標的分子を検出するのが妨げられ、センサーの検出能力が大幅に低下する可能性があります。その結果、一部のバイオセンサーは寿命が限られており、再生されるか廃棄されます。あるいは、この影響を軽減するために、生物付着防止コーティングを開発することもできます。センサーの検出限界とは、その物質が存在しないかどうかを確実に区別できる物質の最小量を指します。検出限界が低いことは、微量の物質を確実に検出するのに有利であり、1分子の検出が理想的なシナリオです。ただし、低濃度では信号がノイズを下回り、定量化が困難になることが多いため、これは難しい場合があります。現在の研究の多くは、結合効率を向上させ、ノイズを低減することにより、検出限界を改善することを目的としています。さて、バイオセンサーの一般的なタイプとその課題について説明したので、これらの基本概念のいくつかのアプリケーションを見てみましょう。一般的に使用されるセンサーは、水晶振動子マイクロバランス(QCM)です。QCMは、圧電特性を持つ水晶振動子で区切られた2つの金電極で構成されています。交流電流を印加すると、特定の共振周波数の発振が誘導されます。この共振周波数は、分子が表面に結合すると変化します。この変化は、標的分子の結合と量を検出するために使用されます。特殊なカンチレバーは、機械的特性を利用して標的分子の結合を検出します。ここでは、カンチレバーをプローブ分子で官能基化し、標的分子に曝露します。標的分子が結合すると、カンチレバーは表面応力の変化によりたわみます。次に、このたわみをレーザーを使用して測定します。JoVEのバイオセンシングの概要をご覧になりました。バイオセンサーの基本、いくつかの主要なタイプのセンサーとその課題、および現場でのいくつかのアプリケーションについて理解しているはずです。ご覧いただきありがとうございます。

Education

JoVE Science Education

Engineering

工学

Bioengineering

バイオエンジニアリング（生物工学）

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

このコレクションは生物工学の中核概念をカバーしており、生体材料の生産、組織特異的および全臓器の組織培養、バイオプロセシング技術、バイオMEMSとバイオセンシングの複雑なシステムレベルの分野を含みます。

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

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