Vue d’ensemble de biodétection

Bioengineering

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Summary

Biocapteurs sont des dispositifs qui utilisent un large éventail de processus biologiques et les propriétés physiques afin de détecter une molécule biologique, comme une protéine ou une cellule, ou une molécule non biologiques, tel qu’un composant chimique ou contaminant. Ce domaine interdisciplinaire utilise des propriétés électriques, optiques, électrochimiques ou même mécaniques pour détecter la présence de la molécule cible.

Cette vidéo présente le domaine des biocapteurs et passe en revue les types communs de technologies de biocapteurs. Cette vidéo aussi discute des enjeux clés dans le domaine et donne un aperçu de l’utilisation dans le domaine des biocapteurs.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Bio-ingénierie. Vue d’ensemble de biodétection. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Biocapteurs optiques sont des capteurs qui détectent une cible biologique ou cibles d’intérêt à l’aide de la lumière. Ces dispositifs ont trouvé des applications dans les soins de santé, produits pharmaceutiques, surveillance de l’environnement, Homeland Security et même le champ de bataille. Biocapteurs optiques sont largement divisés en capteurs basée sur des étiquettes et sans étiquette. Un exemple de basée sur des étiquettes de détection est Polymerase Chain Reaction ou PCR, qui utilise des étiquettes fluorescentes ou fluorophores, pour quantifier l’ADN amplifié de cible. Un exemple d’une méthode sans étiquette est Surface Plasmon Resonance ou SPR. Ici, l’interaction de biomolécules inchangée avec la surface du capteur est quantifiée par la mesure de la caractéristique fondamentale de la sonde, comme l’angle de réflexion. Cette vidéo examine les bases de ces types de techniques de biocapteurs optiques et ses composants critiques, les principes de fonctionnement et applications courantes des biocapteurs optiques.

Tout d’abord, penchons-nous sur les principes généraux de biodétection optique basée sur les étiquettes. En règle générale, un élément de sonde ou de bioreconnaissance, comme un anticorps gratuit, est fixé sur la surface du capteur à l’aide de chimie d’immobilisation traditionnels. La solution de l’échantillon est ensuite coulée sur la surface de capteurs. La molécule cible, qui est gratuite à l’élément bioreconnaissance immobilisé, est capturée sélective de la solution échantillon complexe. Puis la solution échantillon excès est éliminée avec un tampon ou de l’eau. Ensuite, afin de visualiser et de quantifier la quantité de la cible liée, une molécule secondaire qui est complémentaire à la cible et attaché à un fluorophore, est transmise par le système. Après un certain temps, quand la liaison de la molécule secondaire à la cible s’est produite, le fluorophore indépendant excès est éliminé. Intensité du fluorophore lié peut ensuite être quantifiée à l’aide d’un microscope à fluorescence. Tout d’abord, cette intensité est tracée pour diverses concentrations cibles connus créer une courbe d’étalonnage, ce qui permet ensuite pour la mesure directe d’une quantité indéterminée de cibles capturées. Ainsi, basée sur des étiquettes techniques utilisent l’intensité de la fluorescence des fluorophores extrêmement sensibles pour mesurer la concentration de la biomolécule d’intérêt.

Maintenant que nous avons passé en revue les principes de biocapteurs optiques basée sur des étiquettes, nous allons jeter un oeil à un exemple couramment utilisé, la norme actuelle pour l’amplification d’ADN, PCR Quantitative ou qPCR. Le mélange réactionnel de qPCR comprend une sonde marquée pour la quantification de la réaction en temps réel. La séquence de la sonde est attachée à la fois journaliste fluorescent et molécules de l’extincteur et se lie à une séquence d’ADN spécifique. La molécule de désactiveur étanche d’émission du fluorophore tandis que deux d'entre eux sont attachés à la sonde. Au cours de la réaction PCR, l’enzyme polymérase dégrade la sonde ADN et sépare physiquement le journaliste fluorophore, empêchant ainsi la trempe et résultant en une augmentation de fluorescence. Pour effectuer le qPCR, tout d’abord ajouter tous les composants de la réaction, y compris les sondes marquées, dans un tube PCR ou bien. Ensuite, placer les puits de la PCR dans un thermocycleur spécialisé et entrer les paramètres pour chaque cycle et le nombre de cycles. Le thermocycleur utilisé pour qPCR comprend une source de lumière avec des composants optiques requis pour sélectionner une longueur d’onde et d’un détecteur pour mesurer l’intensité de la fluorescence en temps réel lors de la réaction PCR. À la fin de chaque cycle thermique, l’intensité de fluorescence en raison des Fluorophores libérés est enregistrée et tracée. L’intensité de fluorescence est directement proportionnelle au logarithme de la concentration cible dans le puits de réaction, et ainsi, pour une fluorescence connue, la concentration cible inconnue peut être calculée.

Maintenant regardons comment de détection peut être réalisé sans les journalistes, comme fluorophores, à l’aide d’étiquette optique sans techniques de télédétection. Pour les techniques de label, l’immobilisation de l’élément bioreconnaissance est identique à la technique basée sur les étiquettes. Tout attachement biomolécule à la surface de ces capteurs modifie l’indice de réfraction dans le voisinage immédiat de l’appareil optique. Les molécules cibles se lient à la surface de l’appareil optique fonctionnalisé formant une couche mince et encore modifier l’indice de réfraction. Ces changements dans l’indice de réfraction peuvent être surveillés par le changement de la fréquence propre de vibration ou la fréquence de résonance du système de suivi. La différence dans les fréquences de résonance avant et après la liaison cible, appelé le passage de f, est directement proportionnelle à la concentration de la cible capturée.

Maintenant nous allons jeter un regard sur les principes de base d’un couramment utilisés étiquette optiques sans détection technique, Surface Plasmon Resonance ou SPR. Un instrument typique de la SPR combine une source laser mobile, un détecteur optique pour la mesure intensité Maj et une puce du capteur avec un prisme de verre revêtu sur une face d’or. Le prisme or recouvert est intégré à un système microfluidique permettant une opération intermédiaire. Dans une expérience, la molécule sonde ou élément de bioreconnaissance, est attaché à la surface d’or. L’élément cible, puis coule sur la surface et se lie à la sonde immobilisée. La télédétection utilise le phénomène de la SPR. Cela se produit lorsque la lumière polarisée est montrée sur la surface du métal, comme l’or, à un angle précis, thêta SPR. Cela se traduit par la génération des plasmons de surface qui sont des oscillations électron cohérente qui existent à l’interface des deux matériaux qui ont des permittivités de signes opposés. Lorsque la masse fixée pour les changements de surface de capteur, la condition de résonance des plasmons de surface est altérée. Par conséquent, lorsque seulement l’élément bioreconnaissance est lié à la surface, le faisceau se trouve à un angle, thêta un. Puis, lorsque plus de masse est attaché à la surface, comme la cible capturée, une réduction de l’intensité de la lumière réfléchie à l’angle spécifique, thêta SPR est observée, comme l’angle de réflexion devient thêta deux. Le changement dans l’intensité de la lumière réfléchie à l’angle de résonance, thêta SPR, est alors une fonction de l’angle de la lumière réfléchie et peut être mesuré par la différence dans les angles, thêta un et theta deux.

Maintenant que nous avons couvert les principes et la procédure derrière les biocapteurs optiques, nous allons voir comment les chercheurs appliquent ces techniques aujourd'hui. Le cytomètre de cellule est un système optique de biodétection qui est couramment utilisé pour le comptage des cellules et une variété de propriétés cellulaires et d’autres composants de mesure. Un échantillon composé de plusieurs types de cellules, chacune avec un fluorophore unique, le tag est préparé dans une suspension. Ensuite, l’échantillon est géré par le cytomètre de flux tels que les cellules lancer passé un faisceau laser, un à la fois. Car chaque cellule traverse le faisceau laser, dispersés et émis fluorescent lumière par les différents fluorophores sont séparément quantifiées, qui donne un dénombrement direct des différents types cellulaires dans l’échantillon. Une autre application des biocapteurs optiques est la détection de bactéries dans des échantillons. Une façon de le faire consiste à utiliser des capteurs de résonateur optique annulaire. Ils sont composés d’une boucle fermée couplée légères d’entrée et de sortie des guides d’ondes. Lorsque la lumière de longueur d’onde résonant est appliqué à la guide d’onde d’entrée, il est passé dans la boucle et une intensité s’accumule au fil de plusieurs allers-retours en raison de l’interférence constructive et est sortie sur le guide d’onde de sortie. Les anticorps spécifiques à des protéines de surface bactériennes sont immobilisés sur la surface du résonateur anneau et un spectre d’absorption de base est obtenu. Puis l’échantillon bactérienne est coulé sur la surface du résonateur permettant la fixation bactérienne au corps immobilisé, suite à un deuxième spectre d’absorption obtenu. Si la bactérie des liaisons d’intérêt, un changement visible dans les pics de résonance est observée, qui est directement proportionnelle à la concentration des bactéries cibles.

Vous avez juste regardé les vidéo de JoVE sur biocapteurs optiques. Nous avons discuté les principes fondamentaux de basée sur les étiquettes et optique sans étiquette de détection ainsi que de deux exemples de ces méthodes et de certaines applications des techniques. Merci de regarder.

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