Biosensores ópticos

Bioengineering

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Summary

Biosensores ópticos utilizan luz para detectar la Unión de una molécula objetivo. Estos sensores pueden utilizar una molécula de la etiqueta, que produce una señal mensurable como fluorescencia. Estos sensores pueden ser libre de etiqueta y los cambios en las propiedades ópticas, como el índice de refracción, sentido para el atascamiento de la molécula objetivo. Este video presenta etiqueta y biosensores ópticos libre de etiqueta, muestra su uso en el laboratorio y muestra algunas aplicaciones de la tecnología.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Bioingeniería. Biosensores ópticos. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Biosensores ópticos son sensores que detectan un destino biológico u objetivos de interés usando la luz. Estos dispositivos han encontrado aplicaciones en salud, productos farmacéuticos, monitoreo ambiental, seguridad nacional y el campo de batalla. Biosensores ópticos se dividen ampliamente en sensores basados en la etiqueta y sin etiqueta. Un ejemplo de detección de etiqueta es reacción en cadena de polimerasa, o PCR, que utiliza etiquetas fluorescentes o fluoróforos, para cuantificar el ADN diana amplificado. Un ejemplo de un método libre de etiqueta es resonancia de plasmones de superficie o SPR. Aquí, la interacción de biomoléculas inalterado con la superficie del sensor se cuantifica mediante la medición de una característica fundamental del sensor, como el ángulo de reflexión. Este vídeo repasa los conceptos básicos de estos tipos de Técnicas Biosensibles óptica y sus componentes críticos, los principios de funcionamiento y aplicaciones comunes de biosensores ópticos.

En primer lugar, echemos un vistazo a los principios generales de biodetección óptica basada en etiquetas. Normalmente, una sonda o biorreconocimiento elemento, como un anticuerpo complementario, se une en la superficie del sensor mediante química tradicional inmovilización. La solución de la muestra es entonces fluyó sobre la superficie de los sensores. La molécula objetivo, que es gratuita para el elemento de biorreconocimiento inmovilizados, selectivamente se captura de la solución de la muestra compleja. Entonces la solución de muestra exceso es lavada con agua o buffer. A continuación, para ayudar a visualizar y cuantificar la cantidad de destino consolidado, una molécula secundaria que ofrece el destino y Unidos a un fluoróforo es fluyó a través del sistema. Después de algún tiempo, cuando ha ocurrido el atascamiento de la molécula de secundaria en el destino, el fluoróforo exceso se lava lejos. Intensidad del fluoróforo encuadernado entonces puede cuantificarse usando un microscopio de fluorescencia. Esta intensidad se traza primero para que diferentes concentraciones de destino conocido crear una curva de calibración, que luego permite la medida directa de una cantidad desconocida de objetivo capturada. Así, técnicas basadas en la etiqueta usan la intensidad de fluorescencia de fluoróforos extremadamente sensibles para cuantificar la concentración de las biomoléculas de interés.

Ahora que hemos repasado los principios de biosensores ópticos basados en etiquetas, echemos un vistazo a un ejemplo comúnmente usado, el estándar actual para la amplificación de DNA, PCR cuantitativa o qPCR. La mezcla de reacción de qPCR incluye una sonda marcada para la cuantificación de la reacción en tiempo real. La secuencia de la sonda conectada a reportero fluorescente y las moléculas del extintor y se une a una secuencia específica de ADN. La molécula de extintor apaga emisión del fluoróforo mientras ambos están conectados a la sonda. Durante la reacción de PCR, la enzima polimerasa degrada la sonda de ADN y separa físicamente el reportero fluoróforo, evitando así el enfriamiento y resultando en un incremento en fluorescencia. Para realizar la qPCR, primero agregar todos los componentes de la reacción, incluyendo las sondas marcadas, en un tubo PCR o bien. A continuación, coloque los pozos de la PCR en un termociclador especializado y especifique los parámetros para cada ciclo y el número de ciclos. El termociclador utilizado para qPCR incluye una fuente de luz con los componentes ópticos necesarios para seleccionar una longitud de onda y un detector para medir la intensidad de fluorescencia en tiempo real durante la reacción de PCR. Al final de cada ciclo térmico, la intensidad fluorescente debido a los fluoróforos liberado es grabada y trazada. La intensidad fluorescente es directamente proporcional al logaritmo de la concentración de destino en el pozo de reacción, y por lo tanto, para una conocido de la fluorescencia, puede calcularse la concentración objetivo desconocido.

Ahora veamos cómo detección se logra sin cualquier reporteros como fluoróforos, uso libre de etiqueta óptica técnicas de detección. Técnicas de etiqueta-libre, la inmovilización de los elementos de bioreconocimiento es igual a la técnica basada en etiquetas. Cualquier accesorio de biomoléculas a la superficie de estos sensores modifica el índice de refracción en las inmediaciones del dispositivo óptico. Las moléculas de la blanco se unen a la superficie del dispositivo óptico funcionalizado formando una capa delgada y además modificar el índice de refracción. Estos cambios en el índice de refracción pueden ser monitoreados por el cambio en la frecuencia natural de vibración, o la frecuencia de resonancia del sistema de seguimiento. La diferencia en las frecuencias resonantes antes y después del enlace de blanco, llamado el cambio de f, es directamente proporcional a la concentración del objetivo capturado.

Ahora echemos un vistazo a los principios básicos de un uso común libre de etiqueta ópticos de detección técnica, resonancia de plasmones de superficie o SPR. Un instrumento típico de la SPR combina una fuente de láser movible, un detector óptico para medición de intensidad de cambio y un chip sensor con un prisma de vidrio recubierto por una cara con oro. El prisma cubierto de oro está integrado con un sistema neumático que permite una operación de flujo. En un experimento, la molécula de sonda o elementos de bioreconocimiento, se une a la superficie de oro. El elemento de destino entonces fluye sobre la superficie y se une a la sonda inmovilizada. De detección utiliza el fenómeno de la SPR. Esto ocurre cuando la luz polarizada se muestra en la superficie del metal, como el oro, en un ángulo específico, theta SPR. Esto resulta en la generación de plasmones de superficie que son oscilaciones coherentes de electrones que existen en la interfase de dos materiales que tienen permittivities de signos opuestos. Cuando la masa sujeta a cambios de la superficie del sensor, se altera la condición de resonancia de plasmones de superficie. En consecuencia, cuando sólo el elemento de biorreconocimiento es dependiente en la superficie, el rayo se refleja en un ángulo, theta uno. Entonces, cuando más masa se une a la superficie, como el objetivo capturado, una reducción de la intensidad de luz reflejada en ángulo específico, theta SPR se observa, como el ángulo de reflexión cambia a theta dos. El cambio en la intensidad de la luz reflejada en el ángulo de resonancia, theta SPR, es entonces una función del ángulo de la luz reflejada y puede medirse como la diferencia en los ángulos, theta uno y theta dos.

Ahora que hemos cubierto los principios y procedimiento detrás de biosensores ópticos, vamos a ver cómo los investigadores están aplicando estas técnicas hoy en día. El citómetro de flujo de la célula es un sistema de biodetección óptica que se utiliza habitualmente para recuento de células y medir una variedad de otros componentes y propiedades celulares. Se prepara una muestra formada por múltiples tipos celulares, cada una etiquetada con un fluoróforo único, en una suspensión. Luego, la muestra se desarrolla a través del citómetro de flujo tal que las células ejecutan más allá de un rayo láser de uno al mismo tiempo. Como cada célula atraviesa el rayo láser, dispersos y emitido fluorescente luz por los diferentes fluoróforos son por separado cuantificados, que da una cuenta directa de los distintos tipos de células en la muestra. Otra aplicación de biosensores ópticos es la detección de bacterias en las muestras. Una manera de hacer esto es utilizando sensores de resonador óptico anillo. Están compuestas por un circuito cerrado juntado a la entrada de luz y guías de onda de salida. Cuando luz de longitud de onda resonante se aplica la guía de onda de entrada, se pasa a través del lazo y acumula una intensidad durante varios viajes de ida debido a la interferencia constructiva y la salida de la guía de onda de salida. Anticuerpos específicos para proteínas de superficie bacterianas son inmovilizados en la superficie del resonador de anillo y se obtiene un espectro de absorción de la línea de base. Entonces la muestra bacteriana es fluida en la superficie del resonador para permitir la Unión bacteriana al cuerpo inmovilizado, tras lo cual se obtiene un segundo espectro de absorción. Si se observa la bacteria de interés se une, un cambio visible en los picos de resonancias, que es directamente proporcional a la concentración de las bacterias de la blanco.

Sólo has visto video de Zeus en biodetección óptica. Hemos hablado de los principios básicos de la detección basada en etiquetas y libre de etiqueta óptica junto con dos ejemplos destacados de estos métodos y algunas aplicaciones de las técnicas. Gracias por ver.

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