Name: how biosensors detect molecules
Uploaded: 2023-04-30T06:32:47.000Z
Duration: 6 min 40 s
Channel: JoVE

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바이오 센서는 복잡한 생물학적 유체에서 표적 분자의 검출 과 특성화를 통해 의학 및 생명 공학 분야에 혁명을 일으켰습니다. 바이오센서는 효소와 같은 생물학적 수용체 분자를 사용하여 특정 화합물을 검출하는 장치이다. 바이오 센서는 전기화학, 기계적 특성 또는 광학과 같은 다른 방법을 사용하여 수용체에 대한 특정 분자의 결합을 감지합니다. 이 비디오는 바이오 센서의 몇 가지 기본 기술과 유형뿐만 아니라 응용 분야에 대해 논의하여 바이오 센서와 바이오 센싱 필드를 소개합니다.
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먼저 일반적인 바이오센서의 작동 방식에 대해 논의해 보겠습니다. 바이오 센서는 생물학적 인식 시스템, 종종 바이오 수용체 또는 프로브 분자라고합니다. 이것은 일반적으로 효소, 항체, 또는 핵산과 같은 고정된 생체 분자이며, 이는 표적 분자를 선택적으로 포착하는 데 사용된다. 프로브와 표적 분자 사이의 결합은 pH 변화, 광학 변화 또는 레독스 이벤트와 같은 측정 가능한 이벤트를 유발합니다. 이 변경사항은 결합 정보를 정량화 가능한 신호로 변환하는 트랜스듀서에 의해 측정됩니다. 일부 바이오 센서는 바운드 대상의 양을 정량화하여 사용자에게 농도를 제공합니다. 그러나, 몇몇은 단순히 임신 시험에서 같이 분자의 존재를 확인하는 데 사용됩니다. 첫 번째 바이오 센서는 Leland C. Clark가 개발한 산소 센서였습니다. 센서는 포도당 산화를 이용했으며, 이는 포도당이 결합될 때 감소합니다. 산소가 존재하면 포도당 산화효소가 산화되어 측면 반응에서 과산화수를 생성합니다. 과산화수소가 산화되면 전자를 분실하고 전극에 의해 측정됩니다. 존재하는 산소가 많을수록 과산화수소가 더 많이 생성되고 더 많은 전자가 측정됩니다. 이 발견은 현대 바이오 센서의 길을 열었습니다. 이제 바이오 센서와 약간의 역사를 도입했기 때문에 몇 가지 일반적인 유형의 바이오 센서를 살펴보겠습니다.
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광학 센서는 빛을 사용하여 표적 분자의 결합을 프로브 분자에 검출합니다. 매우 간단한 예는 형광 기반 센서입니다. 여기서 센서의 표면은 낮은 기저 형광을 가진 폴리머로 코팅된다. 중합체 표면이 프로브 분자로 기능화되면, 이 경우 단일 가닥 DNA, 형광이 증가한다. 대상 분자, 보완 DNA 가닥이 표적 가닥에 결합하면, 증가된 형광이 사라져 사용자가 형광 강도에 따라 결합의 양과 위치를 결정할 수 있게 한다. 바이오 센서의 또 다른 일반적인 유형은 전극을 사용하여 프로브와 표적 분자 사이의 레독스 반응을 감지하는 전기 화학 센서입니다. 이것은 일반적으로 전극 표면에 결합된 효소를 사용하여 행해지합니다. 표적 분자가 특정 적용 된 전위 하에서 효소에 결합하면 복합체의 감소 또는 산화가 발생합니다. 이것은 결합된 표적 분자의 양에 직접 비례하는 전자의 잉여 또는 적자를 만듭니다.
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바이오 센싱 분야는 어려움이 없는 것이 아닙니다. 첫째, 한 가지 주요 과제는 복잡한 혼합물에서 발생할 수 있는 바이오 폴링이라고 불리는 샘플의 다른 분자에 의한 바이오센서 표면의 오염입니다. 이 오염은 프로브 분자가 시료의 표적 분자를 감지하는 것을 차단하여 센서의 검출 능력을 크게 감소시킬 수 있습니다. 그 결과, 일부 바이오 센서의 수명은 제한되어 있으며 재생되거나 폐기됩니다. 대안적으로, 이러한 효과를 완화하기 위해 바이오 폴링 방지 코팅이 개발될 수 있다. 센서의 검출 한계는 그 물질의 부재와 안정적으로 구별될 수 있는 물질의 가장 낮은 양을 말합니다. 낮은 검출 한계는 단일 분자 검출이 이상적인 시나리오인 확실성을 가진 물질의 미량 검출에 유리합니다. 그러나, 이것은 어려울 수 있습니다., 낮은 농도 종종 소음 아래 약한 신호 귀착되 고 정량화 하기 어렵다. 현재 연구의 대부분은 바인딩 효율성을 개선하고 소음을 줄임으로써 탐지 한계를 개선하기위한 것입니다.
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이제 몇 가지 일반적인 유형의 바이오 센서와 이러한 기본 개념의 일부 응용 사항을 살펴보겠습니다. 일반적으로 사용되는 센서는 석영 결정 마이크로 밸런스 또는 QCM입니다. QCM은 압전 특성을 가지고 석영 크리스탈로 분리 된 두 개의 금 전극으로 구성됩니다. 교대 전류가 적용되면 특정 공진 주파수를 가진 진동이 유도됩니다. 이 공명 주파수는 분자가 표면에 결합할 때 변화합니다. 이러한 변화는 표적 분자의 결합과 양을 검출하는 데 사용됩니다. 특수 캔틸레버는 기계적 특성을 사용하여 표적 분자의 결합을 감지합니다. 여기서 캔틸레버는 프로브 분자로 기능화한 다음 표적 분자에 노출됩니다. 표적 분자의 결합시, 캔틸레버는 표면 응력의 변화로 인해 반사됩니다. 이 편향은 레이저를 사용하여 측정됩니다.
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당신은 방금 조브의 바이오 센싱 개요를 보았습니다. 이제 바이오 센서의 기본 사항, 센서의 일부 주요 유형 및 과제뿐만 아니라 현장의 일부 응용 분야에 대해 잘 알고 있어야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다.
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바이오센싱 개요

바이오센서는 단백질이나 세포와 같은 생물학적 분자 또는 화학 성분 또는 오염물질과 같은 비생물학적 분자를 검출하기 위해 광범위한 생물학적 프로세스 및 물리적 특성을 사용하는 장치입니다. 이 학제 간 필드는 전기, 광학, 전기 화학, 또는 기계적 특성을 활용하여 표적 분자의 존재를 감지합니다.
이 비디오는 바이오센싱 분야를 소개하고 일반적인 유형의 바이오 센서 기술을 검토합니다. 이 비디오는 또한 현장의 주요 과제에 대해 설명하고 현장에서 바이오 센서가 어떻게 사용되는지에 대한 통찰력을 제공합니다.

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 ...

바이오센서는 복잡한 생물학적 유체에서 표적 분자의 검출 및 특성화를 통해 의학 및 생명공학 분야에 혁명을 일으켰습니다. 바이오센서는 효소와 같은 생물학적 수용체 분자를 사용하여 특정 화합물을 감지하는 장치입니다. 바이오센서는 전기화학, 기계적 특성 또는 광학과 같은 다양한 방법을 사용하여 특정 분자가 수용체에 결합하는 것을 감지합니다. 이 비디오에서는 바이오센서와 바이오센싱 분야를 소개하고 바이오센서의 몇 가지 기본 기술과 유형, 그리고 그 응용에 대해 논의합니다. 먼저 일반적인 바이오센서의 작동 방식에 대한 기본 사항에 대해 논의해 보겠습니다. 바이오센서는 종종 생체 수용체 또는 프로브 분자라고 하는 생물학적 인식 시스템으로 구성됩니다. 이것은 일반적으로 효소, 항체 또는 핵산과 같은 고정된 생체 분자로, 표적 분자를 선택적으로 포획하는 데 사용됩니다. 프로브와 표적 분자 사이의 결합은 pH 변화, 광학 변화 또는 산화 환원 이벤트와 같은 측정 가능한 이벤트를 유발합니다. 이 변화는 결합 정보를 정량화 가능한 신호로 변환하는 변환기에 의해 측정됩니다. 일부 바이오센서는 결합된 대상의 양을 정량화하여 사용자에게 농도를 제공합니다. 그러나 일부는 임신 테스트기와 같이 단순히 분자의 존재를 확인하는 데 사용됩니다. 최초의 바이오센서는 Leland C. Clark이 개발한 산소 센서였습니다. 이 센서는 포도당이 결합할 때 감소하는 포도당 산화효소를 사용했습니다. 산소가 있는 상태에서 포도당 산화효소는 산화되어 부반응에서 과산화수소를 생성합니다. 과산화수소가 산화되면 전자가 손실되어 전극에 의해 측정됩니다. 산소가 많을수록 과산화수소가 더 많이 생성되고 더 많은 전자가 측정됩니다. 이 발견은 현대 바이오센서의 길을 열었습니다. 지금까지 바이오센서를 소개하고 그 역사에 대해 간략히 살펴보았으니, 이제 몇 가지 일반적인 유형의 바이오센서에 대해 알아보겠습니다. 광학 센서는 빛을 사용하여 표적 분자와 프로브 분자의 결합을 감지합니다. 매우 간단한 예로 형광 기반 센서를 들 수 있습니다. 여기서 센서의 표면은 기저 형광이 낮은 폴리머로 코팅되어 있습니다. 폴리머 표면이 프로브 분자(이 경우 단일 가닥 DNA)로 기능화되면 형광이 증가합니다. 표적 분자인 상보적 DNA 가닥이 표적 가닥에 결합하면 증가된 형광이 사라지므로 사용자는 형광 강도에 따라 결합의 양과 위치를 결정할 수 있습니다. 바이오센서의 또 다른 일반적인 유형은 전극을 사용하여 프로브와 표적 분자 사이의 산화 환원 반응을 감지하는 전기화학 센서입니다. 이것은 일반적으로 전극 표면에 결합된 효소를 사용하여 수행됩니다. 표적 분자가 특정 적용 전위 하에서 효소에 결합할 때 복합체의 환원 또는 산화가 발생합니다. 이것은 전자의 잉여 또는 결핍을 생성하며, 이는 결합된 대상 분자의 양에 정비례합니다. 바이오센싱 분야에도 어려움이 없는 것은 아닙니다. 첫째, 한 가지 주요 과제는 복잡한 혼합물에서 발생할 수 있는 바이오파울링(biofouling)이라고 하는 샘플의 다른 분자에 의한 바이오센서 표면의 오염입니다. 이러한 오염은 프로브 분자가 샘플의 표적 분자를 감지하는 것을 차단하여 센서의 검출 능력을 크게 감소시킬 수 있습니다. 그 결과, 일부 바이오센서는 수명이 제한되어 재생되거나 폐기됩니다. 대안적으로, 이러한 영향을 완화하기 위해 생물 오염 방지 코팅이 개발될 수 있습니다. 센서의 감지 한계는 해당 물질의 부재와 확실하게 구별할 수 있는 물질의 가장 낮은 양을 나타냅니다. 검출 한계가 낮으면 미량의 물질을 확실하게 검출하는 데 유리하며, 단일 분자 검출이 이상적인 시나리오입니다. 그러나 농도가 낮으면 잡음보다 낮고 정량화하기 어려운 약한 신호가 생성되는 경우가 많기 때문에 이는 어려울 수 있습니다. 현재 연구의 대부분은 결합 효율을 개선하고 노이즈를 줄여 검출 한계를 개선하는 것을 목표로 합니다. 이제 몇 가지 일반적인 유형의 바이오센서와 그 과제에 대해 논의했으므로 이러한 기본 개념의 몇 가지 응용 분야를 살펴보겠습니다. 일반적으로 사용되는 센서는 수정 마이크로 저울 또는 QCM입니다. QCM은 압전 특성을 가진 석영 결정으로 분리된 두 개의 금 전극으로 구성됩니다. 교류가 가해지면 특정 공진 주파수의 진동이 유도됩니다. 이 공진 주파수는 분자가 표면에 결합할 때 변합니다. 이 변화는 표적 분자의 결합과 양을 감지하는 데 사용됩니다. 특수 캔틸레버는 기계적 특성을 사용하여 표적 분자의 결합을 감지합니다. 여기서 캔틸레버는 프로브 분자로 기능화된 다음 표적 분자에 노출됩니다. 표적 분자가 결합하면 캔틸레버는 표면 응력의 변화로 인해 편향됩니다. 그런 다음 이 편향을 레이저를 사용하여 측정합니다. 방금 JoVE의 바이오센싱 개요를 시청했습니다. 이제 바이오센서의 기본 사항, 센서의 몇 가지 주요 유형 및 과제, 해당 분야의 일부 응용 프로그램에 대해 잘 알고 있어야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다.

Education

교육

JoVE Science Education

Engineering

공학

Bioengineering

생체공학

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

이 컬렉션은 생체재료, 조직 형태 및 전체 장기 조직 배양, 바이오프로세싱 기술 및 복잡한 시스템 수준의 bioMEM 및 바이오센싱 분야의 생산을 포함하는 핵심적인 생명공학의 개념을 다룹니다.

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

How Biosensors Detect Molecules

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