Biosensor

Biosensorer er målesensorer som er utstyrt med biologiske komponenter. Disse brukes i bioteknologisk måleteknologi . Begrepet ble laget i 1977 av Karl Cammann; IUPAC har hatt en definisjon for det siden 1997.

Struktur og prinsipp

Teststrimler for blodsukker er typiske biosensorer. Her bestemmes glukoseinnholdet i det påførte blodet amperometrisk.

Biosensorer er basert på den direkte romlige koblingen av et immobilisert biologisk aktivt system med en signalomformer ( transduser ) og en elektronisk forsterker . Biosensorer bruker biologiske systemer på forskjellige nivåer av integrasjon for å identifisere stoffene som skal bestemmes. Slike gjenkjennelseselementer kan enten være naturlige (f.eks. Antistoffer , enzymer , nukleinsyrer , organeller eller celler ) eller syntetiske (f.eks. Aptamerer , molekylært påtrykte polymerer , makrocykler eller syntetiske peptider) Vær systemer. Det immobiliserte biologiske systemet til biosensoren samhandler med analytten . Dette fører til fysisk-kjemiske endringer, som f.eks B. Endringer i lagtykkelsen, brytningsindeksene , lysabsorpsjonen eller den elektriske ladningen. Disse endringene kan ved hjelp av transduktoren, for eksempel. B. optoelektriske sensorer, amperometriske og potentiometriske elektroder eller spesielle felteffekt-transistorer ( kjemisk følsom felteffekt-transistor ) kan bestemmes. Systemets opprinnelige tilstand må gjenopprettes etter måleprosessen. Et problem i utviklingen av biosensorer er korrosjonen av biosensoren på grunn av et belegg med celler ( biokorrosjon ) eller på grunn av dyrkningsmediet . For eksempel korroderer typiske cellekulturmedier for eukaryote cellekulturer silisium med en hastighet på ca. 2 nm / t.

Målingen av en analyt ved hjelp av en biosensor skjer derfor i tre trinn. Først og fremst er analytten spesielt anerkjent av det biologiske systemet til biosensoren. De fysisk-kjemiske endringene som skyldes interaksjoner mellom analytt og reseptor blir deretter omdannet til et elektrisk signal. Dette signalet blir deretter behandlet og forsterket. Signalkonvertering og elektronikk kan kombineres, f.eks. B. i CMOS-baserte mikrosensorsystemer. En biosensor henter sin selektivitet og følsomhet fra det biologiske systemet som brukes.

Typer biosensorer

Piezoelektriske sensorer
Oscillasjonsfrekvensen til et kvarts er omvendt proporsjonal med kvadratroten av massen. En kvartskrystall belagt med enzymer , antistoffer eller andre bindemidler kan således brukes som mikrobalanse . Et spesielt følsomt (sensitivt) spesialtilfelle er overflatebølgesensorene (SAW-sensorer, Surface Acoustic Waves ). Her påføres to belegg på et piezoelektrisk kvarts, som fungerer som en sender eller mottaker og avgir akustiske overflatebølger etter elektrisk eksitasjon. Ved å binde et antigen til et antistoff forårsaker immunreaksjoner en endring i overflaten og dermed en endring i resonansfrekvensen til bølgen.
Optiske sensorer
I praksis brukes disse sensorene primært til å spore oksygeninnholdet i væsker. Måleprinsippet her er basert på fluorescensslokking . En optisk bølgeleder , på slutten av hvilken en indikator er festet, fungerer som måleenhet . De luminiserende eller absorpsjonsegenskaper av denne indikatoren er avhengig av kjemiske parametre, slik som oksygenkonsentrasjonen. En annen metode som kan brukes er basert på evanescens , som oppstår under total refleksjon ved overgangen fra det optisk tettere til et optisk tynnere medium. Her kan fluorescerende lys fra en fluorescensmerket analyt kobles til lysguiden, og en uttalelse kan gjøres om konsentrasjonen. Denne metoden brukes til å bestemme antigener via en reaksjon med et spesifikt antistoff på overflaten av en lysguide. Metoden kan gjøres mer følsom ved å tilsette en tynn metallfilm på overflaten av lysføreren. Tetthetssvingninger av gratis ladningsbærere ( plasmoner ) forekommer i metallfilmen . Med en slik sensor basert på prinsippet om overflateplasmonresonans , er metallfilmen i tillegg belagt med dekstrans som analyt-spesifikke antistoffer kan bindes til.
Elektrokjemisk deteksjon
  • ved amperometri : I amperometri måles strømmen i et målekammer på to elektroder med spenningen holdt konstant. Den er egnet for metabolske produkter som lett kan oksideres eller reduseres. Meglere brukes ofte også, dvs. redokspar som griper indirekte inn under oksidasjonen av selve substratet og tjener til elektronoverføring . Er z. Hvis for eksempel et substrat som skal bestemmes oksyderes av FAD , som er et koenzym av de fleste oksidaser , reduseres FAD til FADH, deretter oksideres FADH igjen til FAD av den oksyderte formen av mediatoren. Den resulterende reduserte formen av megleren oksideres anodisk igjen. Ved hjelp av opptak av strømspenningskurvene kan det komme uttalelser om redoksadferd og konsentrasjonen av det faktiske substratet. Som meglere z. B. hydrokinon eller derivater av ferrocen brukes. Fordelen med meglere er at du kan spesifisere en mye lavere spenning og dermed unngå uønskede sidereaksjoner. Amperometriske biosensorer brukes f.eks. B. brukes til å bestemme glukose , kolesterol , fettsyrer og L- aminosyrer med tilsvarende enzymer som oksidaser.
  • ved potensiometri : Potentiometri brukes til ioniske reaksjonsprodukter. Den kvantitative bestemmelsen av disse ionene utføres på grunnlag av deres elektriske potensial på en måleelektrode som er belagt med et passende enzym for å bestemme et substrat. I hydrolaser , f.eks. B. urease , endringen i pH eller endringen i ammoniumioner eller hydrogenkarbonationer bestemmes. Ionfølsomme felteffekttransistorer (ISFET) eller metalloksydbelagte syreelektroder ( MOSFET ) brukes ofte som måleelektroder . En elektrode av samme type, men uten enzymbelegg, brukes som referanseelektrode. Den potensiometriske metoden brukes til å bestemme z. B. urea , kreatinin eller aminosyrer .
  • med ioneselektive elektroder : Hvis disse er belagt med et enzym, fungerer de etter samme prinsipp som beskrevet for potensiometri.
Interferometrisk deteksjon
Her samhandler biomolekylene med et polymerlag hvis tykkelsesendring overvåkes med reflektometrisk interferensspektroskopi .

applikasjoner

Det første målesystemet, som kan kalles en biosensor i henhold til definisjonen gitt ovenfor, ble utviklet av Clark og Lyons i 1962. Et målesystem er beskrevet som muliggjør bestemmelse av glukose i blodet under og etter operasjoner. Denne biosensoren besto av enten en Clark oksygenelektrode eller en pH-elektrode som en svinger, foran hvilken enzymet glukoseoksidase ble påført mellom to membraner . Glukosekonsentrasjonen kunne bestemmes som en endring i pH-verdien eller som en endring i oksygenkonsentrasjonen som et resultat av oksydasjonen av glukose under den katalytiske effekten av enzymet glukoseoksidase.

I denne konstruksjonen er det biologiske materialet lukket mellom to membraner, eller det biologiske systemet påføres en membran og er koblet direkte til overflaten til transduseren. Anvendelsesområdene for biosensorer i analysen av vann og avløpsvann kan deles inn i biosensorer for bestemmelse av individuelle komponenter, biosensorer for bestemmelse av toksisitet og mutagenitet og biosensorer for bestemmelse av biokjemisk oksygenbehov (BOD).

Biosensorer for bestemmelse av proteiner ble realisert med silisiumfelteffekt-sensorer (såkalte ChemFETs ). De tillater markørfri analyse av proteiner innen proteinanalyse ved in-situ prosess, siden de oppdager proteinbinding på den indre ladningsmengden av proteinet ved hjelp av felteffekt.

Den bakterieinnhold av badevann eller kloakk kan bestemmes ved hjelp av en biosensor. Antistoffer mot visse typer bakterier er festet til en vibrerende membran . Hvis de tilsvarende bakteriene svømmer forbi sensoren, fester de seg til antistoffene og reduserer dermed vibrasjonene i membranen. Hvis vibrasjonene faller under en viss verdi, utløses en alarm.

Den penicillin -konsentrasjonen i en bioreaktor hvor soppstammer blir dyrket, kan bestemmes med en biosensor. Den biologiske komponenten i sensoren som brukes her er enzymet acylase . Dette penicillinsplittende enzymet påføres en membran som hviler på en pH-elektrode. Hvis penicillinkonsentrasjonen i mediet øker, deler enzymet seg av stadig større mengder av en syre , fenyleddiksyre . Dette endrer pH-verdien på elektroden. Så man kan nå utlede konsentrasjonen av penicillin fra pH-verdien.

Biosensorene inkluderer også overflateplasmonresonansspektroskopi . Bindingen av stoffer måles ved hjelp av plasmondeteksjon .

En ny utvikling for overvåking av mat er basert på nanosensorer. Den fluorescens av nanopartikler som er i en agarose næringsmedium endrer seg betraktelig når pH-verdien endres på grunn av bakteriell metabolisme i maten. To fluorescerende fargestoffer er innebygd i nanopartiklene. Den første er et fluorescerende vannavvisende fargestoff . Den lyser grønt når den blir begeistret av en lysdiode og reagerer følsomt på en endring i pH-verdien. Det andre, et fargestoff med pH-uavhengig rød fluorescens, fungerer som en intern referanse.

Med en ny type pH-sensor kan endringer i pH-verdien i levende celler spores over lengre perioder. Prinsippet er basert på en kombinasjon av fluorescerende nanokrystaller med fleksible oligonukleotider som bretter seg eller strekker seg avhengig av pH-verdien rundt. Dette endrer avstanden mellom nanokrystal-energidonoren med et grønt fluorescerende fargestoff og en FRET- akseptor, som består av et rødt fluorescerende fargestoff, på en pH-avhengig måte. EN FRET energioverføring og dermed gløden til det røde fluorescerende fargestoffet oppstår når avstanden er liten. Forholdet mellom grønn og rød fluorescens observeres med et fluorescensmikroskop .

hovne opp

  • RD Schmid , U. Bilitewski: Biosensorer. I: Kjemi i vår tid . 26. år, nr. 4, 1992, s. 163-173, ISSN  0009-2851
  • Brian R. Eggins: Kjemiske sensorer og biosensorer. Analytiske teknikker i vitenskapene. 2. utgave. Wiley, 2002, ISBN 0-471-89914-3 .
  • M. Perpeet, S. Glass, T. Gronewold, A. Kiwitz, A. Malavé, I. Stoyanov, M. Tewes, E. Quandt: SAW-sensorsystem for markørfri molekylær interaksjonsanalyse. I: Analytiske bokstaver . Volum 39, nr. 8, 2006, s. 1747-1757.

litteratur

  • Reinhard Renneberg, Dorothea Pfeiffer, Fred Lisdat, George Wilson, Ulla Wollenberger, Frances Ligler, Anthony PF Turner: Frieder Scheller og den korte historien om biosensorer. I: Fremskritt innen biokjemisk ingeniørfag / bioteknologi. Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg 2008, ISBN 978-3-540-75200-4 , s. 1–18 (kort oversikt over biosensors historie)

weblenker

Individuelle bevis

  1. ^ Reinhard Renneberg, Dorothea Pfeiffer, Fred Lisdat, George Wilson, Ulla Wollenberger, Frances Ligler, Anthony PF Turner: Frieder Scheller og biosensors korte historie. I: Fremskritt innen biokjemisk ingeniørfag / bioteknologi. Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg 2008, ISBN 978-3-540-75200-4 , s. 3, der er navnet gitt som "Karl Camman".
  2. ↑ Can Dincer, Richard Bruch, Estefanía Costa-Rama, Maria Teresa Fernández-Abedul, Arben Merkoçi: Disposable Sensors in Diagnostics, Food, and Environmental Monitoring . I: Avanserte materialer . 15. mai 2019, ISSN  0935-9648 , s. 1806739 , doi : 10.1002 / adma.201806739 .
  3. ↑ Florinel-Gabriel Bănică: Kjemiske sensorer og biosensorer: grunnleggende og applikasjoner . John Wiley & Sons, Chichester, Storbritannia 2012, ISBN 978-1-118-35423-0 .
  4. ^ Graham J. Triggs, Gareth JO Evans, Thomas F. Krauss: Nedbrytning av silisiumfotoniske biosensorer i cellekulturmedier: analyse og forebygging. I: Biomedisinsk optikkekspress . Bind 8, nr. 6, 2017, s. 2924, doi: 10.1364 / BOE.8.002924 .
  5. ↑ A. Hierlemann , O. Brand, C. Hagleitner, H. Baltes: microfabrication teknikker for kjemisk / biosensorer. I: Proceedings of the IEEE. Volum 91, nr. 6, 2003, s. 839-863. ISSN  0018-9219 .
  6. ^ A. Hierlemann , H. Baltes: CMOS-baserte kjemiske mikrosensorer. I: Analytikeren . Volum 128, nr. 1, 2003, s. 15-28.
  7. ^ LC Clark, C. Lyons: Elektrodesystemer for kontinuerlig overvåking i kardiovaskulær kirurgi. I: Ann. NY Acad. Sci. Volum 31, nr. 102, 1962, s. 29-45. PMID 14021529
  8. ^ SQ Lud, MG Nikolaides, I. Haase, M. Fischer, AR Bausch: Felteffekt av screenede ladninger: Elektrisk deteksjon av peptider og proteiner med en tynnfilmsmotstand. I: ChemPhysChem. Bind 7, nr. 2, 2006, s. 379-384.
  9. ↑ Xu-dong Wang, Robert J. Meier, Otto S. Wolfbeis: Fluorescerende pH-følsomme nanopartikler i en agarosematriks for avbildning av bakteriell vekst og metabolisme . I: Angewandte Chemie . teip 124 , nr. 45 , 2012, doi : 10.1002 / anie.201205715 .
  10. ↑ Euan R. Kay, Jungmin Lee, Daniel G. Nocera, Moungi G. Bawendi : Konformasjonell Kontroll av Energy Transfer: en mekanisme for Biokompatible nanokrystall-baserte sensorer . I: Angewandte Chemie . teip 124 , nr. 52 , 2012, ISSN  1521-3757 , doi : 10.1002 / anie.201207181 .