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

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

1 Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 3. Vorlesung Biosensorik / Bionik II 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 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 Was passiert, wenn ein Lichtquant auf ein Rhodopsinmolekül trifft 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 Molekulare Verstärkung:

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

14 oder Mechanisches Modell der Wirkung eines Katalysators

15 Mechanisches Enzym

16 · · · 1000

17

18 · · ·

19

20 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

21 Hypothetisches Beispiel: Konstruktion eines Magensäure-Biosensors

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

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

24 Immobilisiertes Magensäure Messung des Eiweiß-Spaltprodukts Eiweißspaltung PepsinogenPepsin

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

26 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

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

28 Konzentrationselement N ERNST sche Gleichung Semipermeable Membran A gA g A gA g e-e- e-e- e-e- U = Spannung R = Gaskonstante T = Absolute Temperatur F = Faraday-Konstante z = Anzahl der pro Ion übertragenen Elektronen c = Elektrolytkonzentration U NO 3 c ox = Elektrolytkonzentration auf der Seite des Oxidationsmittels c red = Elektrolytkonzentration auf der Seite des Reduktionsmittels

29 Technische Messaufnehmer für einen Glukose-Sensor

30 Schema eines Biosensors

31 Funktionsprinzip eines Biosensors

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

34 Foto: Forschungszentrum Jülich Biosensor für Zyanid Für einen erwachsenen Menschen ist die Aufnahme von etwa 50 Milligramm Zyanid tödlich. Der Biosensor spricht bereits auf den Millionstel Teil dieser Menge an. 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.

35 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

36 Querschnitt durch einen Glukosesensor mit Containment Glukosesensor in Mikrosystemtechnik

37 Integration: Biosensor/Feldeffekttransistor (BioFET)

38 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.

39

40 Dotierung des Wassers in einem Schwimmbecken

41 + Sperrschicht Durchlass + Bewegung der Elektronen Bewegung der Löcher Bewegung der Elektronen Bewegung der Löcher

42 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

43 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.

44 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.

45 Vergleich Na + -Tore / BIOFET

46 Die Elektronenröhre Ein steuerbares Tor

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

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

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

50 Ende

51 Das erste Messsystem, das als Biosensor bezeichnet werden kann, wurde 1962 von L.C. C LARK und C. L YONS 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 C LARK 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.


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