Überblick über Biosensoren

Bioengineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering collection to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

Biosensoren sind Geräte, die eine Vielzahl von biologischen Prozessen und physikalischen Eigenschaften zu verwenden, um ein biologisches Molekül, z. B. ein Protein oder Zelle, oder ein nicht-biologischen Molekül, z. B. ein chemischer Bestandteil oder Verunreinigung zu erkennen. Dieses interdisziplinäre Feld nutzt elektrischen, optische, elektrochemische oder auch mechanische Eigenschaften, um das Vorhandensein des Zielmoleküls.

Dieses Video führt das Feld von Biosensoren und Bewertungen gängigen Biosensor-Technologien. Dieses Video auch diskutiert wichtige Herausforderungen im Bereich, und bietet einen Einblick in die Verwendung von Biosensoren im Feld.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Bioengineering. Überblick über Biosensoren. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Optische Biosensoren sind Sensoren, die eine biologische Ziel bzw. die Ziele von Interesse, die mit Hilfe von Licht zu erkennen. Diese Geräte haben Anwendungen in Medizin, Pharma, Umweltüberwachung, Homeland Security und sogar das Schlachtfeld gefunden. Optische Biosensoren sind weitgehend in Label-basierte und markierungsfreie Sensoren unterteilt. Ein Beispiel für Label-basierte Sensorik ist Polymerasekettenreaktion oder PCR, das Fluoreszenzmarkierungen oder Fluorophore, verwendet, um die verstärkte Ziel DNA quantifizieren. Ein Beispiel einer markierungsfreie Methode ist Surface Plasmon Resonance oder SPR Hier wird die unveränderte Biomoleküle Interaktion mit der Sensorfläche quantifiziert durch die Messung eines wesentliches Merkmals des Sensors, wie der Winkel der Reflexion. Dieses Video-Rezension die Grundlagen für diese Arten von optische Biosensoren Techniken und seine kritische Komponenten, die Arbeitsprinzipien und gängige Anwendungen von optische Biosensoren.

Zuerst schauen Sie wir uns den allgemeinen Grundsätzen des Label-basierte optische Biosensoren. In der Regel wird eine Sonde oder Biorecognition Element, wie ein kostenloses Antikörper auf die Sensoroberfläche mit traditionellen Immobilisierung Chemie befestigt. Die Beispiellösung fließt dann über die Sensoren Oberfläche. Das Zielmolekül, das komplementär zu der immobilisierten Biorecognition Element ist, wird von der komplexen Probenlösung selektiv erfasst. Dann wird die überschüssige Beispiellösung mit Puffer oder Wasser abgewaschen. Als nächstes um zu visualisieren und die Menge des gebundenen Ziel zu quantifizieren, eine sekundäre Molekül, das kostenfrei zum Ziel und an einem Fluorophore, fließt durch das System. Nach einiger Zeit, wenn Bindung des zweiten Moleküls zum Ziel aufgetreten ist, wird der überschüssige ungebundene Fluorophor weggewaschen. Die gebundenen Fluorophor Intensität kann dann mit einem fluoreszierenden Mikroskop quantifiziert werden. Diese Intensität wird zuerst gezeichnet, für verschiedene bekannte Ziel-Konzentrationen zu eine Kalibrierkurve erstellen, die dann für direktes Maß für eine unbekannte Anzahl an erbeuteten Ziel ermöglicht. Daher verwenden Label-basierte Techniken der Fluoreszenzintensität von äußerst sensiblen Fluorophore, um die Konzentration der das Biomolekül von Interesse zu quantifizieren.

Nun, da wir die Grundsätze der Label-basierte optische Biosensoren überprüft haben, werfen wir einen Blick auf eine häufig verwendete Beispiel, der aktuelle Standard für DNA Verstärkung, Quantitative PCR oder qPCR. Die qPCR Reaktion Mischung enthält eine markierte Sonde für Echtzeit-Reaktion Quantifizierung. Die Sonde Sequenz wird an fluoreszierenden Reporter und Quencher Moleküle und bindet an eine bestimmte DNA-Sequenz. Der Quencher Molekül stillt das Fluorophor Emission während beide an der Sonde angebracht sind. Während der PCR-Reaktion das Enzym Polymerase verschlechtert sich die Sonden-DNA und körperlich trennt den Fluorophor-Reporter, verhindert so abschrecken und was zu einem Anstieg in Fluoreszenz. Um qPCR durchzuführen, zunächst alle Komponenten der Reaktion, einschließlich die beschrifteten Prüfspitzen in ein PCR-Röhrchen hinzufügen oder gut. Als nächstes legen Sie die PCR-Brunnen in einer spezialisierten Thermocycler und geben Sie die Parameter für jeden Zyklus und die Anzahl der Zyklen. Die Thermocycler für qPCR verwendet enthält eine Lichtquelle mit der erforderlichen optischen Komponenten auf einer Wellenlänge und ein Detektor zur Messung der Fluoreszenzintensität in Echtzeit während der PCR-Reaktion auswählen. Am Ende eines jeden thermischen Zyklus die fluoreszente Intensität aufgrund der veröffentlichten Fluorophore erfasst und dargestellt. Die fluoreszente Intensität ist direkt proportional zum Logarithmus der Zielkonzentration in der Reaktion gut, und so für eine bekannte Fluoreszenz, die unbekannte Zielkonzentration berechnet.

Schauen Sie wir uns nun wie Fernerkundung ohne jeden Reporter, wie Fluorophore, mit erreicht werden kann markierungsfreie optische Fernerkundung Techniken. Die Immobilisierung des Biorecognition Elements entspricht markierungsfreie Techniken das Label-basierte Technik. Pfändungen Biomolekül an die Oberfläche dieser Sensoren ändert den Brechungsindex in unmittelbarer Nähe des optischen Gerätes. Die Zielmoleküle binden an die Oberfläche der funktionalisierten optisches Gerät bildet eine dünne Schicht und weitere Änderung des Brechungsindex. Diese Veränderungen in der Brechungsindex können überwacht werden, indem Sie die Änderung in der natürlichen Frequenz des Vibration oder die Resonanzfrequenz des Systems verfolgen. Der Unterschied in der Resonanzfrequenzen vor und nach dem Ziel binden, das f-UMSCHALT genannt ist direkt proportional zur Konzentration des erfassten Ziels.

Nun werfen wir einen Blick auf die grundlegenden Prinzipien der häufig verwendete markierungsfreie optische Abtastung Technik, Surface Plasmon Resonance oder SPR Ein typisches Instrument der SPR verbindet eine bewegliche Laserquelle, ein optischer Detektor für Mess Intensität Shift und einen Sensor-Chip mit einem Glasprisma einseitig mit Gold beschichtet. Das Prisma Gold bedeckt ist mit fluidischen System ermöglicht einen Durchströmung Betrieb integriert. In einem Experiment, die Sondenmolekül oder Biorecognition Element ist die Goldoberfläche beigefügt. Das Zielelement dann fließt über die Oberfläche und bindet an die immobilisierten Sonde. Sensing nutzt das SPR-Phänomen. Dies tritt auf, wenn polarisiertes Licht auf die Oberfläche aus Metall, wie Gold, in einem bestimmten Winkel Theta SPR angezeigt wird Dies führt zu der Generation von Oberflächenplasmonen die kohärente Elektronen Schwingungen sind, die an der Schnittstelle zwischen zwei Materialien vorhanden sind, die Permittivities mit entgegengesetzten Vorzeichen haben. Wenn die Masse der Sensor Oberflächenveränderungen zugeordnet, wird die Resonanzbedingung die Oberflächenplasmonen verändert. Folglich, wenn nur das Biorecognition-Element auf der Oberfläche gebunden ist, spiegelt der Strahl in einem Winkel Theta einer. Dann, wenn mehr Masse an der Oberfläche, wie die aufgenommenen Target angeschlossen ist eine Verringerung der Intensität der reflektiertes Licht im bestimmten Winkel Theta, die SPR beobachtet wird, ändert sich der Winkel der Reflexion zu Theta zwei. Die Änderung in der Intensität des reflektierten Lichts in die Resonanz Winkel Theta SPR, dann ist eine Funktion des Winkels des reflektierten Lichts und als Differenz im Winkel, Theta einer und Theta 2 gemessen werden kann.

Nun, da wir die Grundsätze und Verfahren hinter optische Biosensoren besprochen haben, mal sehen, wie Forscher diese Techniken heute anwenden. Das Durchflusszytometer Zelle ist eine optische Biosensoren-System, die gewöhnlich für das zählen von Zellen und Messung einer Vielzahl von anderen zellulären Eigenschaften und Komponenten. Eine Stichprobe aus mehreren Zelltypen, die jeweils mit einer einzigartigen Fluorophor gekennzeichnet ist in einer Suspension bereit. Die Probe ist durch das Durchflusszytometer führen Sie dann so, dass die Zellen vorbei ein Laserstrahl eine zu einem Zeitpunkt ausgeführt. Wie jede Zelle den Laserstrahl durchläuft, verstreut und emittiert Fluoreszenz sind leicht durch die verschiedenen Fluorophore separat quantifiziert, wodurch eine direkte Zählung der verschiedenen Zelltypen in der Probe. Eine weitere Anwendung der optische Biosensoren ist Nachweis von Bakterien in Proben. Eine Möglichkeit, dies zu tun ist durch die Verwendung optischer Ring Resonator Sensoren. Sie bestehen aus einer geschlossenen Schleife um Licht Eingang und Ausgang Wellenleiter gekoppelt. Wenn die Eingabe Wellenleiter resonanten Wellenlänge zugewiesen wird, es wird die Schleife durchlaufen und baut sich eine Intensität im Laufe mehrerer Rundreisen durch konstruktive Interferenz und zum Ausgang Welle Führer Ausgabe. Antikörper, die spezifisch für bakterielle Oberflächenproteine auf die Ring-Resonator-Oberfläche immobilisiert werden und eine Grundlinie Absorptionsspektrum erzielt wird. Dann fließt die bakterielle Probe auf die Resonator-Oberfläche für bakterielle Bindung an immobilisierte Körper, woraufhin eine zweite Absorptionsspektrum gewonnen wird. Wenn das Bakterium Interesse bindet, eine sichtbare Verschiebung in resonante Gipfel beobachtet wird, ist direkt proportional zur Konzentration des Ziel-Bakterien.

Sie haben nur Jupiters Video auf optische Biosensoren angesehen. Wir diskutierten die Grundprinzipien der Label und Label-freie optische Fernerkundung zusammen mit zwei prominente Beispiele für diese Methoden und einige Anwendungen der Techniken. Danke fürs Zuschauen.

A subscription to JoVE is required to view this article.
You will only be able to see the first 20 seconds.

RECOMMEND JoVE

Applications