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Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 3. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Wie baut man einen Biosensor ? Zwischen Bionik und Biotechnologie Weiterverwendung.

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Präsentation zum Thema: "Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 3. Vorlesung Bionik II / Biosensorik Wie baut man einen Biosensor ? Zwischen Bionik und Biotechnologie Weiterverwendung."—  Präsentation transkript:

1 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 Bionik versus Lotusblumen Zellkultur Erkundung des Effekts Enthält Pflanzenextrakte Synthetisches Produkt

5 Photobiologische Wasserstoffproduktion

6 Biotechnologie Bionik versus Blaualge Nostoc muscorum

7 Konstruktion eines Schallschnelle-Vektormessgeräts Partikel Geschwindigkeit

8 Biotechnologie Bionik versus Technische Schaltung

9 Der bionische Ansatz

10 AC = Adenylcyclase cAMP = cyclo-Adenosinmonophosphat Einmoleküldetektion durch eine Enzymkaskade Duftstoff

11 Licht überführt den Sehfarbstoff Rhodopsin in seine enzymatisch aktive Form (R*). Ein aktiviertes R* aktiviert 3000 Transducin-Proteine (T*). Diese Form des Transducins aktiviert das Enzym Phospho- diesterase (PDE*). Ein Molekül der PDE* wiederum ist in der Lage, 2000 cyclo-Guanosinmonophosphat- Moleküle (cGMP) zu inaktivieren. In zwei Stufen erreicht die Kaskade also einen Verstärkungsgrad von 6 Millionen. Enzymkaskade beim Sehprozess

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

13 oder Mechanisches Modell der Wirkung eines Katalysators

14 Mechanisches Enzym

15 · · · 1000

16

17 · · ·

18

19 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

20 Pepsinogen: Kann noch kein Eiweiß spalten ! Magensäure Pepsin: Kann Eiweiß spalten.

21 Adsorption Gel-Einschluss Kovalente Bindung Vernetzung In Biosensoren benutzte Immobilisierungsmethoden Bindung der Enzyme an ein technisches Substrat

22 Pepsinogen: Kann noch kein Eiweiß spalten ! Magensäure Pepsin: Kann Eiweiß spalten.

23 Messlösung Elektrode Elektronik Immobilisiertes Enzym Membran Reaktionsschritte in einem Glukose-Biosensor ? Der Glukose-Biosensor wurde bereits in den 1960er Jahren entwickelt

24 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 ! Elektrochemische Zelle

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

26 Technische Messaufnehmer für einen Glukose-Sensor

27 Schema eines Biosensors

28 Funktionsprinzip eines Biosensors

29

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

31 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

32 Querschnitt durch einen Glukosesensor mit Containment

33 Integration: Biosensor/Feldeffekttransistor (BioFET)

34 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.

35

36 Ausbildung einer Sperrschicht

37 Dotierung des Wassers in einem Schwimmbecken

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

39 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.

40 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.

41 Vergleich Na + -Tore / BIOFET

42 Die Elektronenröhre Ein steuerbares Tor

43 Extreme Empfindlichkeit Selektivität auf biologische Stoffe Was zeichnet den Biosensor aus ? Extreme Empfindlichkeit

44 Zyanid-Biosensor Formaldehyd-Biosensor Enzym Formaldehyd-Dismutase aus dem Bakterienstamm Pseudomonas putida J3 Anthrax-Biosensor Harnstoff-Biosensor Enzym Urease

45 Ende


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