光によるバイオセンシング

Bioengineering

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Summary

光バイオ センサーは、標的分子の結合を検出する光を利用します。これらのセンサーは、蛍光など測定可能な信号を生成するラベルの分子を利用できます。 でも、これらのセンサー ラベル無料ターゲット分子の結合を意味する、屈折などの光学的性質の変更を使用します。このビデオは、ラベルとラベル無料光バイオ センサーを紹介、研究室での使用を示し、技術のいくつかのアプリケーションを示しています。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. バイオ エンジニア リング. 光によるバイオセンシング. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

光バイオ センサーは、生物学的対象や光を使用して興味のターゲットを検出するセンサーです。これらのデバイスは、医療、医薬品、環境モニタリング、国土安全保障とも戦場のアプリケーションを発見しました。光バイオ センサーは、ラベルとラベル無料センサーにより大別されます。感知ラベル ベースの例はポリメラーゼの連鎖反応、または PCR 増幅対象 DNA を定量化する蛍光ラベルまたは蛍光物質を使用します。ラベル無料メソッドの例は表面プラズモン共鳴、またはスプレーです。ここでは、センサー表面と不変の生体分子の相互作用は、反射角度のように、センサーの基本特性を測定することによって定量化されます。このビデオは、光によるバイオセンシング技術のこれらの種類とその重要なコンポーネント、動作原理と光バイオ センサーの一般的なアプリケーションの両方の基礎をレビューします。

まず、ラベルに基づく光によるバイオセンシングの一般原則を見てみましょう。通常、無料の抗体のようなプローブまたは生体認識要素が伝統的な固定化化学を用いたセンサーの表面に接続されます。サンプル ソリューションがセンサー表面に流れます。無料で固定された生体認識要素、ターゲット分子は、複雑なサンプル ソリューションから選択的にキャプチャされます。その後、余分なサンプル ソリューションはバッファーか水で洗い流されます。次に、視覚化し、バインドされているターゲットの量を定量化するために、ターゲットに無料であり、蛍光体に接続されているセカンダリ分子はシステムを通して流れます。ターゲットにセカンダリの分子の結合が発生した場合、いくつかの時間後余分な非連結 fluorophore は洗い流されました。バインドされた蛍光の強度は、蛍光顕微鏡を用いた定量化することができます。この強さは、キャプチャされたターゲットの未知の量を直接測定するため、検量線を作成する様々 な知られているターゲット濃度のプロット最初されます。したがって、ラベル ベースの技術は興味の分子の濃度を定量化するのに非常に敏感な蛍光物質の蛍光強度を使用します。

今ではラベルに基づく光学バイオ センサーの原理については、一般的に使用される例では、qPCR や量的な PCR 増幅 DNA の現在の規格でみましょう。QPCR 反応混合物には、リアルタイムの反応の定量化のための分類されたプローブが含まれています。プローブ シーケンスは、蛍光レポーターとクェンチャー分子の両方に接続されている、特定の DNA 配列にバインドされます。それらの両方は、プローブに接続されている間、クェンチャー分子消光蛍光体の発光です。PCR の反作用の間にポリメラーゼの酵素はプローブ DNA を低下し、焼入および蛍光性の増加の結果を防ぐ蛍光レポーターを物理的に分離します。QPCR を実行するには、最初の反応、PCR チューブに分類されたプローブを含むすべてのコンポーネントを追加またはよきます。次に、専門たちに PCR 井戸を配置し、各サイクルとサイクル数のパラメーターを入力します。QPCR 用たちには、光源波長と PCR の反作用の間にリアルタイムで蛍光強度を測定する検出器を選択する必要な光コンポーネントが含まれています。各々 の熱サイクルの終わりにリリースされた蛍光物質による蛍光強度記録およびプロットします。蛍光強度は反応よくターゲット濃度の対数に比例し、知られている蛍光性のための不明なターゲット濃度を計算できるため。

今を見てみましょうを使用し、蛍光物質のような任意の記者なしセンシングを実現する方法ラベル無料光センシング技術。ラベル無料技術、生体認識要素の固定はラベル ベースの手法と同じです。生体分子アッタチメントを表面にこれらのセンサーは、光デバイスのすぐ近くの屈折を変更します。標的となる分子は、薄層を形成し、さらに屈折の変更機能性光デバイスの表面にバインドします。振動の固有振動数やシステムの共振周波数の変化を追跡することによって、屈折率でこれらの変更を監視できます。F シフトと呼ばれる標的結合の前後に共鳴周波数の違いは、キャプチャされたターゲットの濃度に正比例します。

今の一般的に使用されるラベル無料光センシング技術、表面プラズモン共鳴、またはスプレーの基本原理を見てみましょう典型的な SPR 装置は、金で片面にコーティングしたガラス プリズムと可動光源、shift キー強度測定、およびセンサー チップの光検出器を組み合わせたもの。金で覆われたプリズムは、流体システム フローを通じて操作を有効にすると統合されます。実験では、プローブ分子や生体認識要素、金の表面に添付されます。ターゲット要素は表面上の流れし、固定化したプローブにバインドされます。センシング SPR 現象を利用しています。シータ スプレー偏光光を特定の角度で、金のような金属の表面に表示するときにこれが発生しますこれは、結果、符号が反対の誘電率を持つ 2 つの物質の界面に存在するコヒーレント電子振動である表面プラズモンの生成。質量は、センサー表面の変化に接続されている、表面プラズモンの共鳴条件が変更されます。その結果、表面に生体認識要素のみをバインドすると、1 つの角度、1 つ θ でビームが反映されます。その後より多くの固まりがキャプチャされたターゲットのような表面に接続されての強度の減少の 2 シータへの反射角度の変更とシータ SPR を観察すると、特定の角度で光が反映されます。シータ SPR、共鳴角度で反射した光の強度の変化は、反射光の角度の関数は、および角度、θ 1 と θ 2 の差として測定することができます。

原理と光バイオ センサーの後ろに手順について説明しましたが、研究者がどのようにこれらのテクニックを今日適用を見てみましょう。フローサイト セルはセルを数えるとさまざまな他の携帯電話のプロパティとコンポーネントの測定で用いられる光によるバイオセンシング システムです。複数細胞の種類があり、それぞれユニークな蛍光が付いたからなるサンプルは、懸濁液で準備されます。その後、サンプルは、一度に 1 つレーザービーム過去セルを実行するよう流れの cytometer を介して実行されます。各セル通過レーザー光、散乱され放出される蛍光によって異なる光 fluorophores が付いて、別々 に定量化、サンプルで直接種々 の細胞数を与えます。光バイオ センサーの別のアプリケーションは、サンプル中の細菌の検出です。これを行う 1 つの方法は、光リング共振器のセンサーを使用してです。彼らは、光入力と出力波ガイドと結合した閉ループで構成されています。共振波長の光を入力波ガイドを適用すると、建設的な干渉のための複数のラウンド トリップに強度を構築し、出力波ガイドへの出力ループを通じて渡されるそれ。細菌の表面タンパク質に特異抗体にリング共振器表面に固定化され、ベースライン吸収スペクトルが得られます。その後、細菌のサンプルは次の 2 番目の吸収スペクトルが得られる固定の体に細菌をバインドできるようにする共振器表面に流れていた。関心バインド、共振ピークで目に見える変化の細菌が観察される場合直接標的細菌の濃度に比例してであります。

光によるバイオセンシングのゼウスのビデオを見てきただけ。これらのメソッドの 2 つの顕著な例と技術のいくつかのアプリケーション ラベル ベースおよびラベル無料光センシングの基本原則について話し合った。見ていただきありがとうございます。

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