PowerPoint-Folien zur 3. Vorlesung „Bionik II / Biosensorik“

Präsentation zum Thema: "PowerPoint-Folien zur 3. Vorlesung „Bionik II / Biosensorik“"—  Präsentation transkript:

1 PowerPoint-Folien zur 3. Vorlesung „Bionik II / Biosensorik“
Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 3. Vorlesung „Bionik II / Biosensorik“ Wie baut man einen Biosensor ? Zwischen Bionik und Biotechnologie Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

2 Biotechnologie versus Bionik

3 Lotus Effekt

4 Biotechnologie versus Bionik Enthält Pflanzenextrakte
Lotusblumen Zellkultur Enthält Pflanzenextrakte Biotechnologie versus Erkundung des Effekts Synthetisches Produkt Bionik

5 Photobiologische Wasserstoffproduktion

6 Blaualge Nostoc muscorum Biotechnologie versus Bionik

7 Schallschnelle-Vektormessgeräts
Konstruktion eines Schallschnelle-Vektormessgeräts Partikel Geschwindigkeit

8 Technische Schaltung Biotechnologie versus Bionik

9 Der bionische Ansatz zur Realisation einer künstlichen Nase

10 Vorbild Biologie: Verstärkung durch eine Enzymkaskade
Duftstoff ? AC = Adenylcyclase cAMP = cyclo-Adenosinmonophosphat

11 Was passiert, wenn ein Duftmolekül auf ein Rezeptormolekül trifft
1. Das Duftmolekül aktiviert den Rezeptor 2. Der Rezeptor spaltet ein G-Protein 3. Das gespaltene G-Protein aktiviert das Enzym Adenylcyclase (AC) 4. Die Adenylcyclase synthetisiert die Botenmoleküle cAMP 5. Das cAMP-Molekül dockt an die Ionenkanäle an 6. Die Ionenkanäle öffnen sich für Natriumionen 7. Der Einstrom von Natriumionen erzeugt ein elektrisches Signal

12 Molekulare Verstärkung: 6 000 000
Was passiert, wenn ein Lichtquant auf ein Rhodopsinmolekül trifft 1. 11-cis Retinal wird in all-trans-Retinal umgewandelt 2. Es entsteht Metarhodopsin 3. Metarhodopsin zerfällt in Opsin und all-trans Retinal 4. Metarhodopsin aktiviert Transducin 5. Transducin aktiviert Phosphodiesterase (PDE) 6. PDE spaltet c-GMP in 5'-GMP 7. Dadurch schliessen sich Na-Kanäle 8. Es kommt zu einer Hyperpolarisation 9. Messbare Spannungsänderung: - 40 mV 3 000 2 000 Molekulare Verstärkung:

13 Ein synthetischer Einmoleküldetektor müsste auf eine Katalysatorkaskade aufbauen !
Entwurf eines mechanischen Modells für eine Katalysatorkaskade

14 "Katalyse ist die Beschleunigung eines langsam verlaufenden chemischen Vorgangs durch die Gegenwart eines fremden Stoffes" (1894).    "Ein Katalysator ist jeder Stoff, der, ohne im Endprodukt einer chemischen Reaktion zu erscheinen, ihre Geschwindigkeit verändert. (1901)"    Wilhelm Ostwald Wilhelm Ostwald ( )

15 Dr. Jörg Libuda, Prof. Hans-Joachim Freund
Fritz-Haber-Institut Berlin Durch einen Molekularstrahl, in dem Moleküle gebündelt in eine Richtung geschickt werden, konnte nachgewiesen werden, dass die Aufspaltung der C-O-Bindung des Methanols gerade an den Kantenatomen der Palladium-Katalysatorteilchen besonders beschleunigt wurde.

16 Entwurf eines mechanischen Modells
für eine Katalysatorkaskade

17 oder Mechanisches Modell eines Moleküls, das in eine andere Form umgewandelt wird (z. B. Rhodopsin in Metarhodopsin)

18 Mechanisches Enzym

19 · · · 1000

20

21 1000 1000 · · ·

22

23 An die Stelle der Mechanik muss die Chemie treten
Bisher konnte (z. B. für ein Sprengstoffmolekül) eine solche Katalysatorkaskade nicht synthetisiert werden Deshalb wird der biotechnologische Weg beschritten

24 Hypothetisches Beispiel: Konstruktion eines Magensäure-Biosensors

25 Pepsinogen: Kann noch kein Eiweiß spalten !
Magensäure Pepsinogen: Kann noch kein Eiweiß spalten ! Pepsin: Kann Eiweiß spalten. Wenn keine Enzymkaskade aufgebaut werden kann, müssen für einen Magensäure-Biosensor viele Enzymmoleküle zugleich arbeiten.

26 In Biosensoren benutzte Immobilisierungsmethoden
Van-der-Waals-Bindung (Adsorption) des Enzyms Einbau des Enzyms in eine Polymer-Matrix Kovalent gebundene Atome teilen sich die Orbitale der Valenzelektronen Kovalente atomare Bindung des Enzyms Enzym Technisches Substrat Enzym in semipermeabler Membran-Hülle Enzym- Vernetzung In Biosensoren benutzte Immobilisierungsmethoden

27 Eiweiß-Spaltprodukts
Magensäure Immobilisiertes Pepsinogen Pepsin Eiweißspaltung Messung des Eiweiß-Spaltprodukts

28 ? Reaktionsschritte in einem Glukose-Biosensor
Elektrode Messlösung Membran Immobilisiertes Enzym Membran Elektronik ? Es fehlt in dem Bild die 2. Elektrode Reaktionsschritte in einem Glukose-Biosensor Der Glukose-Biosensor wurde bereits in den 1960er Jahren entwickelt Text

29 Elektrochemische Zelle
Wird eine Metallelektrode in einen Elektrolyten getaucht, so werden an der Phasengrenze Ladungsträger verschoben. Die Potenzialdifferenz ist aber separat nicht messbar. Um das Potenzial zu messen ist eine zweite (Ableit)elektrode notwendig !

30 Bei der Amperometrie wird an die Elektroden ein konstantes Potenzial gelegt und der dadurch resultierende Stromfluss gemessen. Angelegtes Potenzial z. B. 600 mV

31 Semipermeable Membran
U Konzentrationselement e- e- e- Semipermeable Membran A g A g NERNSTsche Gleichung NO3 U = Spannung R = Gaskonstante T = Absolute Temperatur F = Faraday-Konstante z = Anzahl der pro Ion übertragenen Elektronen c = Elektrolytkonzentration cox = Elektrolytkonzentration auf der Seite des Oxidationsmittels cred= Elektrolytkonzentration auf der Seite des Reduktionsmittels Reduktion = Elektronenaufnahme, Oxidation = Elektronenabgabe in der Chemie

32 Mögliche technische Messaufnehmer
für einen Glukose-Sensor

33 Schema eines Biosensors

34 Funktionsprinzip eines Biosensors

35 Lumineszenz-, Farb-Messung
Transducer Thermodynamik Mechanik Optik Elektrochemie Kalorimetrie Mikrogravimetrie Photometrie Potenziometrie Amperometrie Voltammmetrie Wägung Konduktometrie Temperaturmessung Lumineszenz-, Farb-Messung Potenzialdifferenz bei Strom Null Strom bei konstanter Spannung Strom mit Spannungsänderung Widerstands/ Leitfähigkeitsmessung Glucose-Sensor heute

36 Biosensor für Knoblauch
Foto: Forschungszentrum Jülich Der Knoblauch-Biosensor kann die wertvollen Inhaltsstoffe des Knoblauchs in den verschiede-nen Pflanzen aufspüren. Biosensor für Knoblauch

37 Für einen erwachsenen Menschen ist die Aufnahme von etwa 50 Milligramm Zyanid tödlich. Der Biosensor spricht bereits auf den Millionstel Teil dieser Menge an. Foto: Forschungszentrum Jülich Das Enzym Cyanidase zerlegt das Zyanid in Amei-sensäure und Ammoniak. Dadurch ändert sich der pH-Wert der Lösung. Diese Veränderung wird von einem Halbleiterchip als elektrische Kapazitätsän-derung registriert. Biosensor für Zyanid

38 Penicillin-Biosensor
Der Penicillinsensor besteht aus einem Schichtpaket aus Aluminium, p-dotiertem Silizium, Siliziumdioxid, pH-empfindlichem Siliziumnitrid und dem Penicillin abbauenden Enzym Penicillinase. Das Enzym ist mit “Cross-Linker-Molekülen” an die Oberfläche gekoppelt. Taucht der Sensor in eine penicillinhaltige. Lösung, werden bei der enzymati- schen Reaktion Wasserstoffionen frei. Diese lagern sich an die Silizi- umnitridoberfläche an und ändern die elektrische Kapazität des Schichtpaketes. Penicillin-Biosensor

39 Glukosesensor in Mikrosystemtechnik
Querschnitt durch einen Glukosesensor mit Containment Glukosesensor in Mikrosystemtechnik

40 Integration: Biosensor/Feldeffekttransistor (BioFET)

41 Als elektrische Leitung wird die gerichtete Bewegung von Ladungsträgern in einem elektrischen Feld bezeichnet. Die Leitfähigkeit wird durch die Konzentration und Beweglichkeit der wanderungsfähigen Ladungsträger bestimmt.

42 n-dotiert Silizium Bor Phosphor p-dotiert
Fähigkeit der Elektronenleitung und Löcherleitung im dotierten Halbleiter

43 “Dotierung” des Wassers in einem Schwimmbecken

44 + + Sperrschicht Durchlass
Mit Elektronen und „Löchern“ angereicherte Schicht Mit Elektronen und „Löchern“ verarmte Schicht Sperrschicht Durchlass Bewegung der Elektronen Bewegung der Elektronen Bewegung der Löcher Bewegung der Löcher

45 MOSFET Metal Oxide Semi Conductor Field Effect Transistor Der MOS-FET befindet sich im Sperrzustand (deshalb selbstsperrend genannt), wenn keine positive Span-nung zwischen Gate- und Source-Anschluß anliegt.

46 MOSFET Wird zwischen Gate und Source eine positive Spannung angelegt entsteht im Substrat ein elektrisches Feld. Die Löcher im p-leitenden Substrat werden vom Gate abgestoßen. Die Zone unterhalb der gelben Isolierschicht wird mit Elektronen als freie Ladungsträger aufgefüllt. Zwischen Source und Drain bildet sich eine n-leitende Brücke.

47 CEMFET BIOFET Das Gate ist Elektrode einer elektrochemischen Zelle. Ein Produkt der Enzymreaktion sei elektrodenaktiv, und zwar derart, dass sich das Gate gegenüber der Referenzelektrode positiv auflädt. Das Wegdrücken der Löcher baut unter der gelben Isolierschicht wieder ein leitende Brücke auf.

48 Vergleich Na+-Tore / BIOFET
Im weitesten Sinn ähneln sich Zellmembran und Halbleiter. Statt Poren in einer Membran zu öffnen werden Poren in einem Halbleiter durchlässig, jeweils gesteuert durch das vom Signalmolekül aktivierte Enzym. Statt mit Ionen arbeitet die Elektrotechnik aber mit Elektronen!

49 Bei der klassischen Elektronenröhre verhält sich das Steuergitter
wie die Membran einer Sinnes-zelle, deren Durchlässigkeit enzymatisch kontrolliert wird.

50 heutigen Biosensor aus ?
Was zeichnet den heutigen Biosensor aus ? Extreme Empfindlichkeit Extreme Empfindlichkeit Es fehlt das Kaskadenprinzip ! Selektivität auf biologische Stoffe

51 Analyt-Detektion in der medizinischen Diagnostik
Glukose: Amperometrischer Biosensor Harnstoff: Potentiometrischer Biosensor Lactat: Amperometrischer Biosensor Hepatitis B: Chemolumineszenz Immunoassay Candida albicans: Piezoelektrizität Immunoassay Cholesterin: Amperometrischer Biosensor Penicillin: Potentiometrischer Biosensor Natrium: Ionenselektive Glas-Elektrode Kalium: Ionenselektive Austausch-Elektrode Kalzium: Ionophore ionenselektive Elektrode Sauerstoff: Fluoreszenz Quench-Sensor pH-Wert: Ionenselektive Glas-Elektrode

52 Enzyme für Biosensoren
Harnstoff-Biosensor Enzym Urease Zyanid-Biosensor Enzym Cyanidase, zerlegt Zyanid in Ameisensäure und Ammoniak Formaldehyd-Biosensor Enzym Formaldehyd-Dismutase aus dem Bakterienstamm Pseudomonas putida J3 Anthrax-Biosensor Enzym ???

53 Ende

54 Das erste Messsystem, das als Biosensor bezeichnet werden kann, wurde 1962 von L.C. CLARK und C. LYONS entwickelt. Es wurde ein Messsystem beschrieben, dass die Bestimmung von Glucose im Blut während und nach Operationen ermöglicht. Dieser Biosensor bestand wahlweise aus einer Sauerstoffelektrode nach CLARK oder einer pH-Elektrode als Transduktor, vor denen zwischen zwei Membranen das Enzym Glucose-Oxidase aufgebracht war. Die Glucosekonzentration konnte als Änderung des pH-Wertes bzw. als Änderung der Sauerstoffkonzentration infolge der Oxidation der Glucose unter katalytischer Wirkung des Enzyms Glucose-Oxidase bestimmt werden.