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

Biotechnologie versus Bionik

Lotus Effekt

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

Photobiologische Wasserstoffproduktion

Blaualge Nostoc muscorum Biotechnologie versus Bionik

Schallschnelle-Vektormessgeräts Konstruktion eines Schallschnelle-Vektormessgeräts Partikel Geschwindigkeit

Technische Schaltung Biotechnologie versus Bionik

Der bionische Ansatz

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

Enzymkaskade beim Sehprozess 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.

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

Mechanisches Modell der Wirkung eines Katalysators oder Mechanisches Modell der Wirkung eines Katalysators

Mechanisches Enzym

· · · 1000

1000 1000 000 1000 · · ·

1000 000

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

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

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

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

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

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 !

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

Technische Messaufnehmer für einen Glukose-Sensor

Schema eines Biosensors

Funktionsprinzip eines Biosensors

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

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

Querschnitt durch einen Glukosesensor mit Containment

Integration: Biosensor/Feldeffekttransistor (BioFET)

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.

Ausbildung einer Sperrschicht

“Dotierung” des Wassers in einem Schwimmbecken

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.

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.

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.

Vergleich Na+-Tore / BIOFET

Die Elektronenröhre Ein steuerbares Tor

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

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

Ende