48
R. Almog Biosensors Biosensors תתתתתתת – תתתתתתת- תתתתתתתתתת – תתתתתתת- תתת תתתתתתתת תתתתתת תתתתת תתתתתתתת תתתתתת תתתתת תתת תתתתתת תתתתתת תתת תתתתתת תתתתתתDr. Ronen Almog Dr. Ronen Almog תתתת תתתתתתתת תתתתת תתתת תתתתתתתת תתתתת

R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

BiosensorsBiosensorsביו-חיישנים – עקרונות ביו-חיישנים – עקרונות

ויישומים מרפואה ביתית ועד ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתילניטור סביבתי

Dr. Ronen AlmogDr. Ronen Almog

מכון טכנולוגי חולוןמכון טכנולוגי חולון

Page 2: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

•Biosensors •Detection principles:

•Electrochemical•Optical•Mechanical

•Lab on a chip/BioMEMS•Examples:

•Diabetes - glucose monitoring•Water toxicity detection

OutlineOutline

Page 3: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

Elements of a biosensorElements of a biosensor

Page 4: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

An integrated device consisting of •a biological recognition element and •a transducer

capable of detecting specific biological/chemical compound and converting it into an electronic signal.

Biosensor definition

Page 5: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

Biosensors applications and importanceBiosensors applications and importance

•Medical/health monitors

•Homeland security

•Pharmaceutical industry

•Food industry

•Simplicity

•Selectivity

•Sensitivity

•Miniaturization

•Rapid BiosensorsFeatures

Page 6: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

•Enzymes and their substrates•Antibodies and their antigens•Nucleic acids and their complementary sequences•Whole cell

Biological recognition elementsBiological recognition elements

A - TG - C

Page 7: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

On Size and Scale

Page 8: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

EnzymesEnzymes• Large protein molecules. • Catalyze chemical reactions. • Used as tools to perform various biochemical reactions in the cell.

Participates actively in the transformation of chemical A (the substrate) to chemical B (the product) but remains unchanged at the end of the reaction.

Page 9: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

Immunosensors: Antibody – Antigen recognitionImmunosensors: Antibody – Antigen recognition

Antibody - proteins, produced by the immune system of higher animals in response to the entry of “foreign” materials into the body, eg. viruses, bacteria

Bind tightly to the foreign material (the antigen) that provoked the response and mark it for attack by other elements of the immune system.

Antibodies are also very specific- they need to be, in recognizing and binding to the foreign substance only and not to materials native to the organism.

This will change some physicochemical parameter (usually mass or an optical parameter) of the environment at the transducer surface of the sensor and that change is subsequently detected.

If an antigen is present in that medium, it will be bound by the antibody to form a larger, antigen-antibody complex.

Page 10: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

Antibody structure

Page 11: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

1. Electrochemical-Amperometric : Measures currents generated when electrons are exchanged between a biological system (in solution) and an electrode in a constant potential.

4. Conductometric/Impedimetric : detect changes in conductivity/impedance between two electrodes.

The transducerThe transducer

Chemical change Physical change

2 .Optical detection - refractive index change or fluorescence

3 .Mechanical detection

The most common are:

The key part of a biosensor is the transducer which makes use of a physical change accompanying the reaction.

Page 12: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

Transducers - sensing methods in biosensorsTransducers - sensing methods in biosensors

Page 13: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

MEMS - MicroElectroMechanichal sensorsMEMS - MicroElectroMechanichal sensors

Use: Bioassay of prostate-specific antigen (PSA)

Page 14: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

Optical sensors - Biacore exampleOptical sensors - Biacore example

Page 15: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

Reasons for MiniaturizationReasons for Miniaturization

Page 16: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

Biochips Microelectronic-inspired devices that are used for delivery, processing, analysis, or detection of biological molecules and species.These devices are used to detect cells, microorganisms, viruses, proteins, DNA and related nucleic acids, and small molecules of biochemicalimportance and interest.

BioMEMS Biomedical or biological applications of MEMS (micro electro mechanical systems)

Page 17: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

Page 18: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

Lab-on-a-chipLab-on-a-chip

Burns et al. Science 282, 484, 1998

Page 19: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

BioChip/BioMEMS Materials

•Silicon

• Glass, Quartz

• Polymers– Poly (dimethylsiloxane) (PDMS)– Poly (methyl methacrylate) (PMMA)– Teflon, etc.

Considerations • Biocompatibility, ideal for biomedical devices• Transparent within the visible spectrum• Rapid fabrication• Photo-definable• Chemically modifiable

Page 20: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

Biochip - microfluidics

Key Attributes of Biochips1. Small length scale2. Small thermal mass3. Laminar flow4. High surface-to-volume ratio

Page 21: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

The Oxygen electrode

Clark’s Glucose electrode

Page 22: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

Biosensors History

Page 23: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

Technology evolution

6 analyses from a drop of blood in about one minute.

Page 24: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

Diabetes - Glucose Biosensor

• The user carries a wallet sized case that contains the testing equipment

• A lancet pierces the skin on the finger

• The user places this blood sample on a test strip and inserts it into the reader

• Electrochemical detection

http://www.diabetesuffolk.com/Managing%20Diabetes/Meters/LifeScan%20Ultrasmart.asp

Page 25: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

Alcohol Test – Drager Alcotest 7110Alcohol Test – Drager Alcotest 7110 הינשוףהינשוף

/www.draeger-safety.com

The Alcotest 7110 Standard is a highly developed measuring instrument for precise determination of breath alcohol concentration.

Two different and independent measuring systems:

• Infrared spectroscopy – λ=9.5µm • Electrochemical measurement

Page 26: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

Example - insect MEMS hybridExample - insect MEMS hybrid

The University of California, Berkeley

IEEE MEMS, January 2009

A radio-controlled beetle

1.3g electronic module

Max weight: 3g

6 electrodes affixed to the brain and muscles

Page 27: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

Example: Toxichip

Page 28: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

Water toxicity detection - motivation

1. Homeland security

THE THREAT:

Intentional poisoning of a drinking water source

2. Enviromental pollution

THE NEED: A rapid early toxicity warning device

3. Pharmaceutical screening applications

Page 29: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

Toxicity detection systems

Standard toxicity bioassays, mostly designed for environmental purposes, are unsuitable for our needs: size, response time.

Toxicity bioassays

The only question need to be asked is “Is the sample toxic?”

Page 30: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

The goal

To develop a portable system that

can detect the presence of unknown acute toxicity chemicals in drinking water within 20 minutes.

Page 31: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

Whole-cell biosensor:The biological material is an intact, living, functioning cell.

Toxichip whole cell biosensors:•Bacterial cells •Genetically modified•Bioluminescent •Tailored to respond to different cell stress factors

Three elements in the solution

3. Analyzer: a small mobile instrument into which the chip will be inserted, and which will provide the reading.

1. Reporter cells: live cells “tailored” to detect toxicity. We use Escherichia coli (E. coli) bacteria as a whole cell sensor.

2. Biochips: disposable, credit card size, containing the cells.

E. Coli bacteria

Page 32: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

Biochip arrayE. Coli bacteria

Page 33: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

Bioluminescence

The emission of light by a living organism as the result of a chemical reaction. Chemical energy is converted to light energy.

Marine organisms Insects

Fungee

Bacteria

Emission spectrum: Visible - blue-green (490-500 nm)

Page 34: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

The one that drives or catalyzes the reaction is called a "luciferase."

Each organism has its own luciferin and luciferase compounds.

Bioluminescence

At least two chemicals are required:

The one which produces the light is generically called a "luciferin“.

Luciferin(substrate)

Luciferase(enzyme)

+Product:Oxyluciferin + light+ O2

Page 35: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

Bacteria engineering for toxins detection

Two types of biochemical response to toxins :

Type I

Type II

Normally doesn’t emit light.

Toxin exposure induces light emission.

Sensitive to low concentration of toxins with a dose-dependent signal.

Constitutive test

Normally emits light.

In the presence of a toxin, the signal intensity decreases.

Respond to high concentration of toxins

Page 36: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

Sensing element: A promoter of a gene involved in the response to the desired target.

Light

gene promoter

Sensing element

luxCDABE

Reporting element

Light

gene promoter

Sensing element

gene promoter

Sensing element

luxCDABE

Reporting element

luxCDABE

Reporting element

Type I - bacteria engineering for toxins detection

The fusion of two genetic elements inside a host E. coli bacteria:

Reporting element: A Bioluminescent gene. – generates the Luciferin and Luciferase when experssed

Page 37: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

Species LD50

1 Sodium arsenite Heavy metal, carcinogen. Use as :Herbicide, Insecticide, Rodenticide, Fungicide.

Rat (oral) 41 mg/kg,

11.2 ppmמשמש

בחקלאות

2 Cadmium chloride Heavy metal, Used as stabilizer and pigment in plastics Rat (oral) 88 mg/kg

3 Parathion Cholinesterase Inhibitor.Very potent insecticide and acaricide used on cotton, rice and fruit trees

Rat (oral) 3.6-13 mg/kg

4 Paraquat Quaternary ammonium herbicide (non selective). superoxide generating compoundRat (oral) 100 mg/kgקוטל

עשבים

5 Botulinum Toxin A It is the most poisonous naturally occurring substance in the world.A muscle-nerve paralyzing bacterial toxin, used in minute doses both to treat painful muscle spasms, and as a cosmetic treatment.

Rat 1-0.03 ng/kg טרור ביולוגי

6Clostridium difficile Toxin A

An enterotoxin. Responsible with toxin B for the Pseudomembranous colitis (diarrhea and inflammation)- severe gastrointestinal disease.

Mice 500 ng/kg טרור ביולוגי

Acute ToxicityChemical Description

Toxins listToxins list

Page 38: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

Bacteria response to mitomycin C - chemotherapeutic agent

Example - cell bioluminescence responseExample - cell bioluminescence response

Page 39: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

Effect of toxin concentration:

Page 40: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220Time (min.)

Lum

ines

cenc

e (R

LU

)

Bacteria + 10 ppm NA

Bacteria + 5 ppm NA

Bacteria + 0 ppm NA

No Bacteria + 10 ppm NA

Measurement of the bacterial bioluminescence response to different NA concentrations under static condition (no flow). Here the bacteria were suspended in LB.

•We use Nalidixic Acid (NA) as the model toxin

Page 41: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

PDMSBiochip

Elastomer, Simple, fast, modular,cheap, reproducible, disposable

Microfluidics interface system for the PDMS biochip

InletOutlet

Glass cover PMMA

base

10mm

PDMS

PMMA

Glass

Inlet OutletSPADsStainless steel

Bacteria immobilized in Agar

SinglePhotonAvalanchephotoDiode

Page 42: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

Sample

Positive

Negative

Constitutive

Bacteria wells4 channelsSample

Positive

Negative

Constitutive

Bacteria wells4 channels

The biochip layout:

4 main channels: sample, positive, negative and constitutive.

The constitutive channel consists of “Normally On” bacteria.

The sample, positive and negative channels consist of four different bacteria strains immobilized in agar.

4 strains

Page 43: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

Bacteria panel

2 toxins:Nitrogen mustard, Potassium cyanide

2 strains (promoters):nhoA, grpE

Page 44: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

Page 45: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

Acknoledgments

• Prof. Yosi Shacham• Ramiz Daniel• Klimentiy Levkov• Matan Peer • Yaniv Chen• Ragini Raj Singh • Sefi Vernick• Amit Ron• Mordechai Aharonson• Tsvi Shmilovich• Arthur Rabner

HUJI - Shimshon Belkin’s group:• Sharon Yagur-kroll

• Tal Elad

• Sahar Melamed

Page 46: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

Page 47: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

Biochip arrayE. Coli bacteria

Page 48: R. Almog Biosensors ביו-חיישנים – עקרונות ויישומים מרפואה ביתית ועד לניטור סביבתי Dr. Ronen Almog מכון טכנולוגי חולון

R. Almog

Optical sensors - Biacore exampleOptical sensors - Biacore example