20.

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

Biotechnologie versus Bionik

Superhydrophob Lotus Effekt Cassie-Baxter-Effekt

Biotechnologie versus Bionik Biologisches Produkt Lotusblatt-Zellkultur Biologisches Produkt Biotechnologie versus Erkundung des Effekts Synthetisches Produkt Bionik

Photobiologische Wasserstoffproduktion

Biotechnologie versus Bionik CO C H O Blaualge Nostoc muscorum 2 Unter sehr speziellen Bedingungen Biotechnologie versus 2 CO C H O Veg.-Zellen-Analoga Heterocysten-Analoga Bionik Kein Stickstoff! Fehlreaktion. Wasserstoff wird freigesetzt. Kohlendioxid = Container für Wasserstoff

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 aktiviert Transducin 4. Transducin aktiviert Phosphodiesterase (PDE) 5. PDE spaltet c-GMP in 5'-GMP 6. Dadurch schließen sich Na-Kanäle 7. Es kommt zu einer Hyperpolarisation 8. 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)

Einmolekülmessung durch Synthese einer Katalysatorkaskade 10 000 Katalysator y n t h e s S 100 Signalmolekül Katalysator y n t h e s S 1 Katalysator Rezeptor Abstraktes Modell: Einmolekülmessung durch Synthese einer Katalysatorkaskade

„Einen Naturvorgang verstehen heißt, ihn in Mechanik zu übersetzen“ Herrmann von Helmholtz

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 Wird frei, um ein weiteres Modellmolekül zu verwinkeln

· · · 1000

Soll jetzt ein Enzym sein

1000 1000 000 1000 · · ·

1 > 1 000 > 1 000 000 1000 000 Schmetterlingsmoleküle

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 Platinanode 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 oder Nano-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 Nano-Formerkennung 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

Pepsinogen: Pepsin: Magensäure Kann Eiweiß spalten. Beim Pepsinogen steckt der grüne „Proteinschlüssel“ noch nicht im großen Molekülknäuel. Das Enzym ist inaktiv! Bei Anwesenheit von Magensäure wird der grüne Schlüssel eingesteckt und so das Enzym aufgeschlossen. Pepsinogen wird zum Eiweiß spaltenden Pepsin. Pepsin: Kann noch kein Eiweiß spalten ! Pepsinogen: 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 Nano-Formerkennung 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

Zur Elektrochemie Transducer Thermodynamik Mechanik Optik Kalorimetrie Mikrogravimetrie Photometrie Potenziometrie Amperometrie Voltammetrie Volt- und Amperometrie Wägung Konduktometrie Temperaturmessung Lumineszenz-, Farb-Messung Potenzialdifferenz bei Strom Null Strom bei konstanter Spannung Strom mit Spannungsänderung Widerstands/ Leitfähigkeitsmessung Glukose-Sensor heute Zur Elektrochemie

e- e- e- NERNSTsche Gleichung U Zur Elektrochemie A g A g Ag+ Ag+ NO3 Semipermeable Membran A g A g NERNSTsche Gleichung Ag+ NO3 Ag+ Niedrig konzentrierte Silbernitratlösung Hoch konzentrierte Silbernitratlösung U = Spannung R = Gaskonstante T = Absolute Temperatur F = Faraday-Konstante z = Anzahl der pro Ion übertragenen Elektronen c = Elektrolytkonzentration AgNO3 AgNO3 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

Querschnitt durch einen Glukosesensor mit Containment Durch eine kleine Öffnung des Containments stehen das Enzym und die Elektrode mit der Messlösung in Kontakt. Moleküle der Messlösung können in die Enzymmatrix hineindiffundieren, welche bei Anwesenheit des Analyten H2O2 erzeugt. Dieses wird an der Platinelektrode elektrochemisch umgesetzt. Querschnitt durch einen Glukosesensor mit Containment Zum Glukosesensor

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

Ein noch besseres Schema p-Dotierung im Siliziumkristallgitter mit Aluminium n-Dotierung im Siliziumkristallgitter mit Phosphor Ein noch besseres Schema

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 Der Minuspol "presst" Elektronen in die n-Schicht, der Pluspol der Stromquelle saugt Elektronen aus der Sperrschicht ab. 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.

CHEMFET BIOFET Hier findet eine Enzymreaktion statt 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. Zur Glucoseoxidase-Gluconolactonase-Reaktion

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

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

MOSFET Glucose Gluconolacton 7 kcal Gluconsäure O + H Glucose- oxidase 2 1 Glucose- oxidase + Gluconolacton H 7 kcal Glucono- lactonase Gluconsäure MOSFET