Name: detecting molecules with light
Uploaded: 2023-04-30T06:32:51.000Z
Duration: 9 min 39 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>

光によるバイオセンシング

光バイオ センサーは、標的分子の結合を検出する光を利用します。これらのセンサーは、蛍光など測定可能な信号を生成するラベルの分子を利用できます。 でも、これらのセンサー ラベル無料ターゲット分子の結合を意味する、屈折などの光学的性質の変更を使用します。このビデオは、ラベルとラベル無料光バイオ センサーを紹介、研究室での使用を示し、技術のいくつかのアプリケーションを示しています。

Optical biosensors utilize light to detect the binding of a target molecule. These sensors can utilize a label molecule, which produces a measurable ...

光バイオセンサーは、光を用いて生物学的な標的や目的の標的を検出するセンサーです。これらのデバイスは、ヘルスケア、医薬品、環境モニタリング、国土安全保障省、さらには戦場でも応用されています。光学バイオセンサーは、ラベルベースセンサーとラベルフリーセンサーに大別されます。標識ベースのセンシングの例としては、蛍光標識または蛍光色素を使用して増幅された標的DNAを定量するポリメラーゼ連鎖反応(PCR)があります。ラベルフリー法の例としては、表面プラズモン共鳴(SPR)があります。ここでは、反射角度などのセンサーの基本特性を測定することにより、センサー表面と変わらない生体分子の相互作用を定量化します。このビデオでは、これらのタイプの光バイオセンシング技術とその重要なコンポーネントの両方の基本、光学バイオセンサーの動作原理と一般的なアプリケーションについて説明します。まず、ラベルベースの光バイオセンシングの一般原理を見てみましょう。通常、相補型抗体のようなプローブや生体認識素子は、従来の固定化化学を用いてセンサー表面に付着します。次に、サンプル溶液をセンサー表面に流します。固定化された生体認識要素に相補的な標的分子は、複雑なサンプル溶液から選択的に捕捉されます。次に、余分なサンプル溶液をバッファーまたは水で洗い流します。次に、結合したターゲットの量を視覚化および定量化するために、ターゲットに相補的で蛍光色素に結合している二次分子がシステム内を流れます。しばらくして、二次分子が標的に結合すると、過剰な未結合の蛍光色素は洗い流されます。結合した蛍光色素分子の強度は、蛍光顕微鏡を使用して定量化できます。この強度は、最初にさまざまな既知のターゲット濃度に対してプロットされ、検量線が作成され、その後、捕捉されたターゲットの量が不明であることを直接測定できます。したがって、ラベルベースの手法では、非常に感度の高い蛍光色素の蛍光強度を使用して、目的の生体分子の濃度を定量化します。ラベルベースの光学バイオセンサーの原理を確認したところで、DNA増幅、定量PCR、またはqPCRの現在の標準である一般的に使用される例を見てみましょう。qPCR反応ミックスには、リアルタイムの反応定量のための標識プローブが含まれています。プローブ配列は、蛍光レポーター分子とクエンチャー分子の両方に結合し、特定のDNA配列に結合します。クエンチャー分子は、蛍光色素分子の両方がプローブに付着している間、蛍光色素の放出を消光します。PCR反応中、ポリメラーゼ酵素はプローブDNAを分解し、蛍光色素レポーターを物理的に分離するため、クエンチングを防ぎ、蛍光性が増加します。qPCRを実施するには、まず、標識プローブを含む反応のすべての成分をPCRチューブまたはウェルに加えます。次に、PCRウェルを専用のサーモサイクラーに入れ、各サイクルのパラメータとサイクル数を入力します。qPCRに使用されるサーモサイクラーには、波長を選択するために必要な光学部品を備えた光源と、PCR反応中に蛍光強度をリアルタイムで測定する検出器が含まれています。各熱サイクルの終わりに、放出された蛍光色素による蛍光強度が記録され、プロットされます。蛍光強度は、反応ウェル中の目標濃度の対数に正比例するため、既知の蛍光については、未知の標的濃度を計算できます。次に、ラベルフリーの光学センシング技術を使用して、蛍光色素のようなレポーターなしでセンシングを実現する方法を見てみましょう。ラベルフリー技術の場合、生体認識要素の固定化はラベルベースの技術と同じです。これらのセンサーの表面に生体分子が付着すると、光学デバイスのすぐ近くの屈折率が変化します。標的分子は、機能化された光学デバイスの表面に結合して薄い層を形成し、さらに屈折率を変化させます。これらの屈折率の変化は、振動の固有振動数、またはシステムの共振周波数の変化を追跡することで監視できます。ターゲット結合の前後の共振周波数の差は、fシフトと呼ばれ、捕捉されたターゲットの濃度に正比例します。次に、一般的に使用されるラベルフリー光学センシング技術である表面プラズモン共鳴(SPR)の基本原理を見てみましょう。一般的なSPR機器は、可動式レーザー光源、強度シフトを測定するための光学検出器、および片面に金でコーティングされたガラスプリズムを備えたセンサーチップを組み合わせています。金で覆われたプリズムは、フロースルー操作を可能にする流体システムと統合されています。実験では、プローブ分子、または生体認識素子が金の表面に付着します。その後、ターゲットエレメントは表面上を流れ、固定化されたプローブに結合します。センシングはSPR現象を利用します。これは、偏光が金などの金属の表面に特定の角度で表示されるときに発生します(θSPR)。これにより、反対の符号の誘電率を持つ2つの材料の界面に存在するコヒーレントな電子振動である表面プラズモンが生成されます。センサー表面に付着した質量が変化すると、表面プラズモンの共鳴状態が変化します。その結果、生体認識要素のみが表面に結合すると、ビームは1つの角度、つまりシータ1で反射されます。次に、捕獲されたターゲットのように、より多くの質量が表面に付着すると、反射角度がθ2に変化するため、特定の角度での反射光の強度の減少、θSPRが観察されます。共鳴角シータSPRでの反射光の強度の変化は、反射光の角度の関数であり、シータ1とシータ2の角度の差として測定できます。光学バイオセンサーの原理と手順について説明したので、研究者が今日これらの技術をどのように適用しているかを見てみましょう。フローセルサイトメーターは、細胞のカウントやその他のさまざまな細胞特性や成分の測定に一般的に使用される光学バイオセンシングシステムです。複数の細胞タイプで構成され、それぞれに固有の蛍光色素でタグ付けされたサンプルを懸濁液中で調製します。次に、サンプルをフローサイトメーターに通し、細胞が一度に1つずつレーザービームを通過するようにします。各細胞がレーザービームを通過すると、異なる蛍光色素による散乱および放出された蛍光光が別々に定量され、サンプル中のさまざまな細胞タイプを直接カウントできます。光学バイオセンサーの別の用途は、サンプル中の細菌の検出です。これを行う1つの方法は、光学リング共振器センサーを使用することです。これらは、光の入力および出力の導波路に結合された閉ループで構成されています。共鳴波長の光が入力導波路に印加されると、ループを通過し、建設的な干渉により複数回の往復で強度が蓄積され、出力導波路に出力されます。細菌表面タンパク質に特異的な抗体が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。次に、細菌サンプルを共振器表面に流して、固定化された体への細菌の結合を可能にし、その後、第2の吸収スペクトルが得られます。目的の細菌が結合すると、共鳴ピークの目に見える変化が観察されますが、これは標的細菌の濃度に正比例します。JoVEの光バイオセンシングに関するビデオをご覧になりました。ラベルベースとラベルフリーの両方の光学センシングの基本原理と、これらの方法の2つの顕著な例と技術のいくつかの応用について説明しました。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）

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 also shows how they are used in the laboratory and highlights some applications of the technology.

Detecting Molecules with Light

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

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...

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

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 optical biosensors use light to detect target molecules. Compare label and label-free methods, lab use, and key applications.

Detecting Molecules with Light

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