광학 바이오센싱
광학 바이오 센서는 빛을 활용하여 표적 분자의 결합을 감지합니다. 이러한 센서는 형광과 같은 측정 가능한 신호를 생성하는 라벨 분자를 활용할 수 있거나, 또는 이러한 센서는 라벨이 없고 굴절률과 같은 광학 적 특성의 변화를 사용하여 표적 분자의 결합을 감지할 수 있습니…
광학 바이오 센서는 빛을 사용하여 생물학적 표적 또는 관심 대상을 감지하는 센서입니다. 이러한 장치는 의료, 제약, 환경 모니터링, 국토 안보, 심지어 전장에서 응용 프로그램을 발견했다. 광학 바이오 센서는 라벨 기반 및 라벨이 없는 센서로 광범위하게 나뉩니다. 라벨 기반 감지의 예는 증폭된 표적 DNA를 정량화하기 위해 형광 라벨 또는 형광을 사용하는 폴리머라제 연쇄 반응 또는 PCR입니다. 레이블이 없는 방법의 예는 표면 플라스몬 공명 또는 SPR입니다. 여기서, 센서 표면과의 변경되지 않은 생체 분자 상호 작용은 반사 각도와 같은 센서의 근본적인 특성을 측정하여 정량화된다. 이 비디오는 이러한 유형의 광학 바이오센싱 기술과 중요한 구성 요소, 작업 원칙 및 광학 바이오 센서의 일반적인 응용 분야의 기본 사항을 검토합니다.
먼저 라벨 기반 광학 바이오센싱의 일반적인 원리를 살펴보겠습니다. 전형적으로, 프로브 또는 생체 인식 원소는, 무료 항체 같이, 전통적인 고정 화학을 사용하여 센서 표면에 붙어 있습니다. 그런 다음 샘플 솔루션이 센서 표면 위로 흐르게 됩니다. 고정된 생체 인식 요소에 무료로 제공되는 표적 분자는 복잡한 시료 용액에서 선택적으로 포획됩니다. 그런 다음 과잉 샘플 용액이 완충또는 물로 씻어냅니다. 다음으로, 결합된 표적의 양을 시각화하고 정량화하는 데 도움이 되는데, 이는 대상에게 무료이고 불소호에 부착된 이차 분자가 시스템을 통해 흐르고 있다. 얼마 후, 표적에 이차 분자의 결합이 발생했을 때, 과도한 불소호레가 씻겨나들려 한다. 결합된 형광의 강렬은 형광 현미경을 사용하여 정량화될 수 있습니다. 이 강도는 먼저 다양한 알려진 대상 농도에 대해 플롯되어 교정 곡선을 생성하여 알 수 없는 양의 캡처된 대상을 직접 측정할 수 있게 됩니다. 따라서, 라벨 기반 기술은 관심있는 생체 분자의 농도를 정량화하기 위해 매우 민감한 형광의 형광 강도를 사용합니다.
이제 라벨 기반 광학 바이오 센서의 원리를 검토한 결과, DNA 증폭, 정량적 PCR 또는 qPCR에 대한 현재 표준인 일반적으로 사용되는 예제를 살펴보겠습니다. qPCR 반응 믹스에는 실시간 반응 정량화를 위한 표지된 프로브가 포함되어 있습니다. 프로브 서열은 형광 기자와 대기 분자 모두에 부착되고 특정 DNA 서열에 결합합니다. 담종 분자는 둘 다 프로브에 부착되는 동안 불소소의 방출을 담금질합니다. PCR 반응 중에 중합효소는 프로브 DNA를 분해하고 플루오로포어 리포터를 물리적으로 분리하여 담금질을 방지하고 형광이 증가합니다. qPCR을 수행하려면 먼저 표지된 프로브를 포함한 반응의 모든 구성 요소를 PCR 튜브 또는 잘 넣습니다. 다음으로 PCR 웰을 특수 열순환기에 넣고 각 주기및 사이클 수에 대한 매개 변수를 입력합니다. qPCR에 사용되는 써모사이클러는 PCR 반응 중에 실시간으로 형광 강도를 측정하는 파장 및 검출기를 선택하는 데 필요한 광학 성분을 가진 광원을 포함한다. 각 열 주기의 끝에서, 방출된 형광호로 인한 형광 강도가 기록되고 플롯된다. 형광 강도는 반응에서 표적 농도의 로가릿에 직접 비례하며, 따라서 알려진 형광에 대해 알려지지 않은 표적 농도를 계산할 수 있다.
이제 라벨이 없는 광학 감지 기술을 사용하여 형광과 같은 기자 없이 감지를 달성할 수 있는 방법을 살펴보겠습니다. 라벨이 없는 기술의 경우 생체 인식 요소의 고정은 라벨 기반 기술과 동일합니다. 이러한 센서의 표면에 부착된 모든 생체 분자 부착은 광학 장치 바로 부근에서 굴절 지수를 수정합니다. 표적 분자는 기능화된 광학 장치의 표면에 결합하여 얇은 층을 형성하고 굴절률을 더욱 수정합니다. 굴절률의 이러한 변화는 진동의 자연 주파수 의 변화 또는 시스템의 공진 주파수의 변화를 추적하여 모니터링할 수 있습니다. f 시프트라고 하는 표적 바인딩 전후의 공진 주파수의 차이는 캡처된 대상의 농도에 직접적으로 비례한다.
이제 일반적으로 사용되는 라벨프리 광학 감지 기술, Surface Plasmon 공명 또는 SPR의 기본 원칙을 살펴보겠습니다. 일반적인 SPR 계측기는 이동식 레이저 소스, 강도 시프트 측정을 위한 광학 검출기, 한쪽에 금으로 코팅된 유리 프리즘이 있는 센서 칩을 결합합니다. 금으로 덮인 프리즘은 유동적인 시스템과 통합되어 유동적인 작동을 가능하게 합니다. 실험에서, 프로브 분자, 또는 생체 인식 원소는 금 표면에 부착된다. 그런 다음 대상 요소가 표면 위로 흐르고 고정된 프로브에 바인딩됩니다. 감지는 SPR 현상을 활용합니다. 이는 광편광이 금과 같은 금속 표면에 특정 각도인 테타 SPR에 표시될 때 발생합니다. 이것은 반대 표시의 허용이 있는 2개의 물질의 인터페이스에 존재하는 일관된 전자 진동인 표면 플라스몬의 생성에 유래합니다. 센서 표면에 부착된 질량이 변경되면 표면 플라스몬의 공명 조건이 변경됩니다. 따라서 생체 인식 요소만 표면에 바인딩되면 빔이 한 각도로 반사됩니다. 이어서, 포획된 표적과 같이 표면에 더 많은 질량이 부착되면, 반사광의 강도가 특정 각도에서 감소하면, 테타 SPR이 관찰되고, 반사각도가 두 개로 변화함에 따라 관찰된다. 공명 각, 테타 SPR에서 반사된 빛의 강도의 변화는 반사된 빛의 각도의 기능이며, 각도, 세타 1 및 세타 2의 차이로 측정될 수 있다.
이제 우리는 광학 바이오 센서뒤에 있는 원리와 절차를 다루었으니, 오늘날 연구원들이 이러한 기술을 어떻게 적용하고 있는지 살펴보겠습니다. 유동 세포 세포계는 일반적으로 세포를 계산하고 다른 세포 특성 및 구성 요소의 다양한 측정에 사용되는 광학 바이오 센싱 시스템입니다. 고유한 플루오로포어로 태그된 다중 세포 유형으로 구성된 샘플은 현탁액으로 제조된다. 이어서, 샘플은 세포가 레이저 빔을 한 번에 하나씩 지나도록 흐름 사이토미터를 통해 실행된다. 각 세포가 레이저 빔을 통과할 때, 상이한 형광에 의한 산란 및 방출형 광은 별도로 정량화되어 샘플내의 다양한 세포 유형의 직접적인 수를 제공한다. 광학 바이오 센서의 또 다른 응용 분야는 샘플에서 박테리아를 검출하는 것입니다. 이를 위한 한 가지 방법은 광학 링 공진기 센서를 사용하는 것입니다. 라이트 입력 및 출력 웨이브 가이드에 결합된 닫힌 루프로 구성됩니다. 공명 파장의 빛이 입력 파장의 빛이 입력 파도 가이드에 적용되면, 루프를 통과하고 건설적인 간섭으로 인해 여러 왕복에 걸쳐 강도를 구축하고 출력 파 가이드에 출력된다. 세균표면 단백질에 특이적인 항체는 링 공진기 표면에 고정되어 있고 기준선 흡수 스펙트럼이 얻어진다. 그런 다음 세균성 샘플이 공진기 표면으로 흐르고 고정 된 신체에 세균결합을 허용하고, 그 다음에는 제 2 흡수 스펙트럼이 얻어진다. 관심의 박테리아가 결합하는 경우, 공진 피크의 눈에 보이는 변화가 관찰되며, 이는 표적 박테리아의 농도에 직접적으로 비례한다.
당신은 광학 바이오 센싱에 JoVE의 비디오를 보았다. 우리는 이러한 방법의 두 가지 중요한 예와 기술의 일부 응용 프로그램과 함께 라벨 기반 및 라벨이없는 광학 감지의 기본 원칙에 대해 논의했습니다. 시청해 주셔서 감사합니다.
광학 바이오센서는 빛을 사용하여 생물학적 표적 또는 관심 표적을 감지하는 센서입니다. 이러한 장치는 의료, 제약, 환경 모니터링, 국토 안보부 및 심지어 전장에서도 응용 분야를 찾았습니다. 광학 바이오센서는 크게 라벨 기반 센서와 라벨 프리 센서로 나뉩니다. 레이블 기반 감지의 예로는 형광 표지 또는 형광단을 사용하여 증폭된 표적 DNA를 정량화하는 중합효소 연쇄 반응(PCR)이 있습니다. label-free 방법의 예로는 표면 플라즈몬 공명(Surface Plasmon Resonance, SPR)이 있습니다. 여기에서 센서 표면과 변경되지 않은 생체 분자의 상호 작용은 반사각과 같은 센서의 기본 특성을 측정하여 정량화됩니다. 이 비디오는 이러한 유형의 광학 바이오센싱 기술과 그 핵심 구성 요소, 광학 바이오센서의 작동 원리 및 일반적인 응용 분야의 기본 사항을 검토합니다.
먼저, 라벨 기반 광학 바이오센싱의 일반적인 원리를 살펴보겠습니다. 일반적으로 상보 항체와 같은 프로브 또는 생체 인식 요소는 기존의 고정 화학을 사용하여 센서 표면에 부착됩니다. 그런 다음 샘플 용액이 센서 표면 위로 흐릅니다. 고정된 생체 인식 요소에 상보적인 표적 분자는 복잡한 샘플 용액에서 선택적으로 캡처됩니다. 그런 다음 여분의 샘플 용액을 완충액이나 물로 씻어냅니다. 다음으로, 결합된 표적의 양을 시각화하고 정량화하는 데 도움이 되도록 표적에 보완적이고 형광단에 부착된 2차 분자가 시스템을 통해 흐릅니다. 일정 시간이 지난 후, 2차 분자가 표적에 결합하는 것이 발생하면 과도하게 결합되지 않은 형광단이 씻겨 나갑니다. 그런 다음 결합된 형광단의 강도를 형광 현미경을 사용하여 정량화할 수 있습니다. 이 강도는 먼저 다양한 알려진 표적 농도에 대해 표시하여 보정 곡선을 생성한 다음 알 수 없는 양의 캡처된 표적을 직접 측정할 수 있습니다. 따라서 라벨 기반 기술은 매우 민감한 형광단의 형광 강도를 사용하여 관심 생체 분자의 농도를 정량화합니다.
지금까지 라벨 기반 광학 바이오센서의 원리에 대해 살펴보았으므로 이제 일반적으로 사용되는 예인 DNA 증폭, 정량적 PCR(qPCR)의 현재 표준을 살펴보겠습니다. qPCR 반응 혼합물에는 실시간 반응 정량화를 위한 라벨링된 프로브가 포함됩니다. 프로브 염기서열은 형광 리포터 분자와 소광제 분자 모두에 부착되어 특정 DNA 염기서열에 결합합니다. 소광단 분자는 형광단의 방출을 소멸시키는 동안 둘 다 프로브에 부착되어 있습니다. PCR 반응 중에 중합효소는 프로브 DNA를 분해하고 형광단 리포터를 물리적으로 분리하여 담금질을 방지하고 형광을 증가시킵니다. qPCR을 수행하려면 먼저 라벨링된 프로브를 포함한 반응의 모든 구성 요소를 PCR 튜브 또는 웰에 추가합니다. 다음으로, PCR 웰을 특수 열순환기에 넣고 각 사이클에 대한 매개변수와 사이클 수를 입력합니다. qPCR에 사용되는 열순환기에는 파장을 선택하는 데 필요한 광학 성분이 있는 광원과 PCR 반응 중 실시간으로 형광 강도를 측정하기 위한 검출기가 포함되어 있습니다. 각 열 주기가 끝날 때 방출된 형광단으로 인한 형광 강도가 기록되고 플롯됩니다. 형광 강도는 반응 웰에서 타겟 농도의 로그에 정비례하며, 따라서 알려진 형광의 경우 알려지지 않은 타겟 농도를 계산할 수 있습니다.
이제 형광단과 같은 기자 없이 label-free 광학 감지 기술을 사용하여 감지를 달성할 수 있는 방법을 살펴보겠습니다. label-free 기술의 경우, biorecognition element의 고정화는 label-based technique과 동일합니다. 이러한 센서의 표면에 부착된 모든 생체 분자는 광학 장치 바로 근처의 굴절률을 수정합니다. 표적 분자는 기능화된 광학 장치의 표면에 결합하여 얇은 층을 형성하고 굴절률을 더 변형시킵니다. 이러한 굴절률의 변화는 진동의 고유 주파수 또는 시스템의 공진 주파수의 변화를 추적하여 모니터링 할 수 있습니다. f shift라고 하는 타겟 바인딩 전후의 공진 주파수의 차이는 캡처된 타겟의 농도에 정비례합니다.
이제 일반적으로 사용되는 무표지 광학 감지 기술인 표면 플라즈몬 공명(SPR)의 기본 원리를 살펴보겠습니다. 일반적인 SPR 기기는 이동식 레이저 소스, 강도 이동을 측정하기 위한 광학 검출기, 한쪽 면이 금으로 코팅된 유리 프리즘이 있는 센서 칩을 결합합니다. 금으로 덮인 프리즘은 유체 시스템과 통합되어 플로우 스루 작동을 가능하게 합니다. 실험에서 프로브 분자 또는 생체 인식 요소는 금 표면에 부착됩니다. 그런 다음 대상 요소는 표면 위로 흐르고 고정된 프로브에 결합합니다. 감지는 SPR 현상을 활용합니다. 이것은 편광된 빛이 금과 같은 금속 표면에 특정 각도, 즉 세타 SPR로 표시될 때 발생합니다. 그 결과 표면 플라즈몬이 생성되는데, 이는 반대 징후의 유전율을 갖는 두 물질의 계면에 존재하는 일관된 전자 진동입니다. 센서 표면에 부착된 질량이 변하면 표면 플라즈몬의 공진 상태가 변경됩니다. 결과적으로, 생체 인식 요소만 표면에 결합될 때 빔은 한 각도, 즉 세타 1로 반사됩니다. 그런 다음 포착된 표적과 같이 표면에 더 많은 질량이 부착되면 특정 각도에서 반사광의 강도가 감소하고 반사각이 세타 2로 변경됨에 따라 세타 SPR이 관찰됩니다. 공명각(theta SPR)에서 반사된 빛의 강도 변화는 반사광의 각도에 대한 함수이며, 각도의 차이(theta 1 및 theta two)로 측정할 수 있습니다.
지금까지 광학 바이오센서의 원리와 절차를 살펴보았으니, 이제 연구자들이 오늘날 이러한 기술을 어떻게 적용하고 있는지 알아보겠습니다. 플로우 셀 유세포 분석기는 세포 계수 및 기타 다양한 세포 특성 및 구성 요소를 측정하는 데 일반적으로 사용되는 광학 바이오 감지 시스템입니다. 각각 고유한 형광단으로 태그된 여러 세포 유형으로 구성된 샘플이 현탁액으로 준비됩니다. 그런 다음 샘플은 유세포 분석기를 통해 실행되어 세포가 한 번에 하나씩 레이저 빔을 통과하도록 합니다. 각 세포가 레이저 빔을 통과할 때 서로 다른 형광단에 의해 산란 및 방출된 형광광이 별도로 정량화되어 샘플의 다양한 세포 유형을 직접 계산합니다. 광학 바이오센서의 또 다른 응용 분야는 샘플에서 박테리아를 감지하는 것입니다. 이를 수행하는 한 가지 방법은 광학 링 공진기 센서를 사용하는 것입니다. 그들은 광 입력 및 출력 도파관에 연결된 폐쇄 루프로 구성됩니다. 입력 도파관에 공진 파장의 광이 가해지면 루프를 통과하고 구조적 간섭으로 인해 여러 왕복에 걸쳐 강도를 형성하고 출력 도파관으로 출력됩니다. 박테리아 표면 단백질에 특이적인 항체를 고리 공진기 표면에 고정시키고 기준선 흡수 스펙트럼을 얻습니다. 그런 다음 박테리아 샘플을 공진기 표면으로 흘러 고정체에 대한 박테리아 결합을 허용한 후 두 번째 흡수 스펙트럼을 얻습니다. 관심 박테리아가 결합하면 공명 피크의 가시적인 변화가 관찰되며, 이는 표적 박테리아의 농도에 정비례합니다.
광학 바이오센싱에 대한 JoVE의 비디오를 시청하셨습니다. 우리는 레이블 기반 및 레이블 없는 광학 감지의 기본 원리와 함께 이러한 방법의 두 가지 두드러진 예와 기술의 일부 응용 프로그램에 대해 논의했습니다. 시청해 주셔서 감사합니다.
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Q1: What is the difference between label-based and label-free optical biosensors?
Label-based biosensors use fluorescent molecules called fluorophores attached to secondary probes to generate measurable signals, such as in quantitative PCR. Label-free biosensors detect binding by monitoring changes in optical properties like refractive index without adding reporter molecules. Both approaches immobilize biorecognition elements on sensor surfaces but differ in how they quantify target binding. Optical and electrochemical biosensors represent complementary detection strategies in modern bioanalysis.
Q2: How does quantitative PCR use fluorescence to measure DNA concentration?
In qPCR, a labeled probe contains both a fluorescent reporter and a quencher molecule that suppresses fluorescence when attached. During PCR amplification, the polymerase degrades the probe, separating the fluorophore from the quencher and releasing fluorescence. The thermocycler measures fluorescent intensity in real time at each cycle, which is directly proportional to the logarithm of target DNA concentration.
Q3: What role does the biorecognition element play in optical biosensing?
The biorecognition element, such as a complementary antibody, is immobilized on the sensor surface using chemical attachment methods. It selectively captures target molecules from complex sample solutions based on molecular specificity. This immobilized probe forms the foundation for both label-based and label-free detection methods by enabling selective binding of targets.
Q4: How does Surface Plasmon Resonance detect target binding without labels?
SPR uses polarized light directed at a gold-coated prism at a specific angle to generate surface plasmons, which are coherent electron oscillations at the metal interface. When target molecules bind to immobilized probes on the gold surface, the mass changes alter the resonance condition. This shifts the angle of reflected light, and the change in reflection intensity at the resonance angle is measured and quantified.
Q5: What is a calibration curve and why is it important in label-based biosensing?
A calibration curve is created by plotting fluorescent intensity measurements against known target concentrations. This curve establishes the relationship between fluorescence signal and target concentration. Once established, the calibration curve allows researchers to determine unknown target concentrations by measuring the fluorescent intensity of unknown samples and referencing the curve.
Q6: How does flow cytometry use optical biosensing to identify cell types?
Flow cytometry prepares cell samples with each cell type tagged with a unique fluorophore. Cells flow past a laser beam one at a time, and scattered and emitted fluorescent light from different fluorophores are separately quantified. This direct measurement provides accurate counts of various cell types in the sample based on their distinct fluorescent signatures.
Q7: How do optical ring resonators detect bacteria in samples?
Optical ring resonators consist of a closed loop coupled to input and output waveguides. Antibodies specific to bacterial surface proteins are immobilized on the resonator surface. When bacterial samples flow over the surface and bind to antibodies, the resonant peaks shift visibly. This shift is directly proportional to bacterial concentration, enabling sensitive detection and quantification.