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

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

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

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: 6 000 000

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

Hypothetisches Beispiel: Konstruktion eines Magensäure-Biosensors

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

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

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

? 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

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 Elektroden ein konstantes Potenzial gelegt und der dadurch resultierende Stromfluss gemessen. Angelegtes Potenzial z. B. 600 mV

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

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

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

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

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

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.

“Dotierung” des Wassers in einem Schwimmbecken

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

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

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

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 ???

Ende

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.