PowerPoint-Folien zur 3. Vorlesung „Bionik II / Biosensorik“ Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 3. Vorlesung „Bionik II / Biosensorik“ Zwischen Bionik und Biotechnologie Wie baut man einen Biosensor ? Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet
Biotechnologie versus Bionik
Lotus Effekt
Biotechnologie versus Bionik Lotusblatt-Zellkultur 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 zur Realisation einer künstlichen Nase
Vorbild Biologie: Verstärkung 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
"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 (1853-1932)
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.
Entwurf eines mechanischen Modells für eine Katalysatorkaskade
oder Mechanisches Modell eines Moleküls, das in eine andere Form umgewandelt wird (z. B. Rhodopsin in Metarhodopsin)
Mechanisches Enzym
· · · 1000
1000 1000 000 1000 · · ·
1 > 1 000 > 1 000 000 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 Das sieht dann so aus:
Was zeichnet den Biosensor aus ? Extreme Empfindlichkeit Extreme Empfindlichkeit Selektivität auf biologische Stoffe
Der Glukose-Biosensor Der geschichtlich erste Biosensor, der die Selektivität auf eine biologisches Substanz nutzte Der Glukose-Biosensor
? 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
Schema eines Biosensors Molekulare Formerkennung Schema eines Biosensors
Funktionsprinzip eines Biosensors Selektor Analytlösung (Rezeptor) Effekt Transducer Chemische Substanz Elektrode l a Temperatur n g Thermistor i S s e Licht h c s i r t Masse k Piezokristall e l E Elektrisches Potenzial Verstärker Funktionsprinzip eines Biosensors
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
Pepsin: Pepsinogen: Magensäure Kann noch kein Eiweiß spalten ! Kann Eiweiß spalten. Theoretische Beispiel für die Konstruktion eines Magensäure-Biosensors mit immobilisiertem Enzym
Eiweiß-Spaltprodukts Magensäure Immobilisiertes Pepsinogen Pepsin Eiweißspaltung Messung des Eiweiß-Spaltprodukts Theoretische Beispiel für die Konstruktion eines Magensäure-Biosensors mit immobilisiertem Enzym
Funktionsprinzip eines Biosensors Selektor Analytlösung (Rezeptor) Effekt Transducer Chemische Elektrode Thermistor Piezokristall Verstärker Substanz l a Temperatur n g i S s e Licht h c s i r t Masse k e l E Elektrisches Potenzial Funktionsprinzip eines Biosensors
Mögliche technische Messaufnehmer für einen Glukose-Biosensor Zum Glukosesensor
Lumineszenz-, Farb-Messung Transducer Thermodynamik Mechanik Optik Elektrochemie Kalorimetrie Mikrogravimetrie Photometrie Potenziometrie Amperometrie Voltammetrie Wägung Konduktometrie Temperaturmessung Lumineszenz-, Farb-Messung Potenzialdifferenz bei Strom Null Strom bei konstanter Spannung Strom mit Spannungsänderung Widerstands/ Leitfähigkeitsmessung Glukose-Sensor heute
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 Reduktion = Elektronenaufnahme, Oxidation = Elektronenabgabe in der Chemie
Weitere Beispiele für Biosensoren
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 penicillin-haltige. Lösung, werden bei der enzymatischen Reaktion Wasser-stoffionen frei. Diese lagern sich an die Siliziumnitridoberfläche 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)
Isolatoren Halbleiter Metalle 10 10 10 10 10 10 10 1 W m Kunststoffe Selen Silber Eisen Glas Germanium Kupfer Glimmer Diamant Quarz Silizium -16 -12 -8 -4 4 8 10 10 10 10 10 10 10 1 Leitfähigkeit W m 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.
n-dotiert Silizium Bor Phosphor p-dotiert Fähigkeit der Elektronenleitung und Löcherleitung im dotierten Halbleiter
Beispiel: “Dotierung” des Wassers in einem Schwimmbecken Zur Menge des Dotierungsstoffs im Halbleiter Beispiel: “Dotierung” des Wassers in einem Schwimmbecken
+ + 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
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. Liegt rechts die positive Spannung an kommt es zu einer Driftbewegung der Elektronen von links nach rechts.
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 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!
Bei der klassischen Elektronenröhre verhält sich das Steuergitter wie die Membran einer Sinnes-zelle, deren Durchlässigkeit enzymatisch kontrolliert wird.
heutigen Biosensor aus ? Was zeichnet den heutigen Biosensor aus ? Extreme Empfindlichkeit Extreme Empfindlichkeit Es fehlt das Kaskadenprinzip ! 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 www.bionik.tu-berlin.de
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.
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