传感概述

Bioengineering

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Summary

生物传感器是一种使用广泛的生物学过程和物理特性的设备, 以检测生物分子, 如蛋白质或细胞, 或非生物分子, 如化学成分或污染物。 这一跨学科领域利用电气, 光学, 电化学, 甚至机械性能来检测靶分子的存在。

该视频介绍了传感的领域, 并回顾了常用的生物传感器技术类型。 该视频还讨论了该领域的关键挑战, 并提供了如何在该领域使用生物传感器的洞察力。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 生物工程. 传感概述. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

光学生物传感器是一种传感器, 用来探测使用光的生物学目标或目标。这些设备在医疗、制药、环境监测、国土安全, 甚至战场上都有应用。光学生物传感器被广泛地分为标签基和无标签传感器。以标签为基础的传感的一个例子是聚合酶链反应, 或 PCR, 使用荧光标签, 或荧光, 以量化放大的目标 DNA。无标签方法的一个例子是表面等离子体共振, 或 SPR。在这里, 不变的生物分子与传感器表面的相互作用通过测量传感器的基本特性 (如反射角度) 进行量化。该视频回顾了这两种类型的光学传感技术及其关键部件的基本原理、光学生物传感器的工作原理和常见应用。

首先, 让我们看看基于标签的光学传感的一般原理。通常, 探针或 biorecognition 元素, 如一个免费的抗体, 是附着在传感器表面使用传统的固定化化学。然后, 样品溶液流过传感器表面。靶分子, 这是互补的固定化 biorecognition 元素, 是有选择地从复杂的样品溶液捕获。然后多余的样品溶液用缓冲器或水冲洗掉。其次, 为了帮助形象化和量化的数量的约束目标, 一个次要分子, 是免费的目标和附加到一个荧光, 是流经系统。经过一段时间后, 当次级分子与靶的结合发生时, 多余的未粘合的荧光被冲走。荧光的强度可以用荧光显微镜进行定量。这种强度首先被绘制为各种已知的目标浓度, 以创建一个校准曲线, 然后允许直接测量未知数量的捕获目标。因此, 基于标签的技术使用极端敏感荧光的荧光强度来量化生物的浓度。

现在我们已经回顾了基于标签的光学生物传感器的原理, 让我们来看看一个常用的例子, 目前的标准, DNA 扩增, 定量 PCR, 或 qPCR。qPCR 反应混合包括一个标记探针的实时反应量化。探针序列连接到荧光记者和止渴分子, 并结合到一个特定的 DNA 序列。止渴分子解渴荧光的发射, 同时它们都附着在探针上。在 PCR 反应过程中, 聚合酶降解探针 DNA, 将荧光报告器物理分离, 从而防止猝灭, 从而增加荧光。要执行 qPCR, 首先将反应的所有成分, 包括标记的探针, 放入 PCR 管或井中。接下来, 将 PCR 井放入一个专门的 thermocycler, 并输入每个周期的参数和周期数。用于 qPCR 的 thermocycler 包括具有所需光学元件的光源, 用于选择波长和检测器, 在 PCR 反应过程中实时测量荧光强度。在每个热循环结束时, 由于释放的荧光的荧光强度被记录和绘制。荧光强度与反应井中目标浓度的对数成正比, 因此, 对于已知的荧光, 可以计算出未知的目标浓度。

现在让我们看看, 如果没有像荧光这样的记者使用无标签的光学传感技术, 如何才能实现传感。对于无标签的技术, 固定的 biorecognition 元素是相同的标签为基础的技术。这些传感器表面的任何生物附着物都能改变光学器件附近的折射率。靶分子结合到功能化光学器件的表面, 形成一薄层并进一步修改折射率。通过跟踪振动固有频率的变化或系统的谐振频率, 可以对折射率的变化进行监测。在目标束缚前后共振频率的差异, 称为 f 移位, 与俘获目标的浓度成正比。

现在让我们来看看常用的无标签光学传感技术、表面等离子体共振或 SPR 的基本原理。一种典型的 SPR 仪器, 它结合了可移动的激光光源, 用于测量强度漂移的光学探测器, 以及一个带有镀金的玻璃棱镜的传感器芯片。金覆盖的棱镜集成了一个流体系统, 使流动的操作。在实验中, 探针分子, 或 biorecognition 元素, 附着在金表面。然后, 目标元素在表面上流动并绑定到固定探针。传感利用 SPR 现象。当偏振光在金属表面显示, 如金, 在特定的角度, θ SPR。这导致了表面等离子体的产生, 这是相干电子振荡存在于两个材料的界面, 有介电常数的相反的迹象。当附着在传感器表面的质量发生变化时, 表面等离子体的共振条件被改变。因此, 当只有 biorecognition 元素在表面上被约束时, 光束就会被反射到一个角度, 即θ。然后, 当更多的质量附着在表面上时, 像被俘获的目标一样, 在特定的角度减少反射光的强度, 就会观察到θ的 SPR, 因为反射的角度改变为θ二。在共振角的反射光的强度的变化, θ SPR, 然后是反射光的角度的函数, 可以测量为角度的差异, θ一和θ二。

现在我们已经讨论了光学生物传感器背后的原理和程序, 让我们看看研究人员是如何应用这些技术的。流式细胞仪是一种光学传感系统, 通常用于计数细胞和测量各种其他细胞的属性和成分。一个由多个细胞类型组成的样本, 每个单元都带有一个独特的荧光, 在悬挂中被准备好。然后, 样品通过流式细胞仪运行, 这样电池就能一次通过激光束。当每个细胞经过激光束时, 不同荧光的散射和发射的荧光光分别被量化, 这给样本中各种细胞类型的直接计数。光学生物传感器的另一个应用是检测样品中的细菌。一种方法是使用光学环形谐振器传感器。它们由一个闭环耦合到光输入和输出波导。当谐振波长的光被应用到输入波导上时, 它是通过环路传递的, 并在多轮行程中由于构造干扰而产生强度, 并输出到输出波导上。特定于细菌表面蛋白的抗体固定在环形谐振器表面, 并获得基线吸收谱。然后将细菌样本流到谐振子表面, 使细菌与固定体结合, 从而获得第二吸收谱。如果有兴趣的细菌结合, 观察到共振峰的可见位移, 这是直接与目标细菌的浓度成正比。

你刚刚看了朱庇特的视频在光学传感。我们讨论了标签的基础和无标签的光学传感的基本原理, 以及两个突出的例子, 这些方法和一些应用的技术。谢谢收看

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