Biosensoren

Biosensoren sind Messfühler, die mit biologischen Komponenten ausgestattet sind. Diese werden in der biotechnologischen Messtechnik angewendet. Biosensoren basieren auf der direkten räumlichen Kopplung eines immobilisierten biologisch aktiven Systems mit einem Signalumwandler (Transduktor) und einem elektronischen Verstärker. Für die Erkennung der zu bestimmenden Substanzen nutzen Biosensoren biologische Systeme auf unterschiedlich hohem Integrationsniveau. Solche biologischen Systeme können z. B. Antikörper, Enzyme, Organellen oder Mikroorganismen sein. Das immobilisierte biologische System des Biosensors tritt in Wechselwirkung mit dem Analyten. Dabei kommt es zu physikochemischen Veränderungen, wie z. B. Veränderungen der Schichtdicke, der Brechzahlen, der Lichtabsorption oder der elektrischen Ladung. Diese Veränderungen können mittels des Transduktors, wie z. B. optoelektrischen Sensoren, amperometrischen und potentiometrischen Elektroden oder Feldeffekttransistoren bestimmt werden. Nach dem Messvorgang muss der Ausgangszustand des Systems wiederhergestellt werden. Die Messung eines Analyten mittels eines Biosensors erfolgt demnach in drei Schritten. Zunächst erfolgt die spezifische Erkennung des Analyten durch das biologische System des Biosensors. Anschließend findet die Umwandlung der physikochemischen Veränderungen, die durch die Wechselwirkungen des Analyten mit dem Rezeptor entstehen, in ein elektrisches Signal statt. Dieses Signal wird dann verarbeitet und verstärkt. Seine Selektivität und Empfindlichkeit bezieht ein Biosensor aus dem verwendeten biologischen System.

Inhaltsverzeichnis

Arten von Biosensoren

Piezoelektrische Sensoren: Die Schwingung eines Quarzes ist seiner Masse umgekehrt proportional. Ein mit Enzymen, Antikörpern oder anderen Bindern beschichteter Quarzkristall lässt sich somit als Mikrowaage verwenden. Ein besonders empfindlicher (sensitiver) Spezialfall sind die Oberflächenwellensensoren (Surface Acoustic Waves, SAW).

Optische Sensoren: Mit diesen Sensoren verfolgt man in der Praxis vor allem den Sauerstoffgehalt in Flüssigkeiten. Als Messprinzip liegt hier die Fluoreszenzlöschung zugrunde. Als Messeinrichtung dient ein Lichtwellenleiter, an dessen Ende ein Indikator aufgebracht ist. Die Luminiszenz- oder Absorptioneigenschaften dieses Indikators sind von chemischen Größen, wie der Sauerstoffkonzentration abhängig.

Elektrochemische Detektion: z.B. durch Amperometrie oder Potentiometrie. Bei der Amperometrie wird in einer Messkammer an 2 Elektroden bei konstant gehaltener Spannung der Stromfluss gemessen. Sie ist geeignet für Stoffwechselprodukte, die leicht oxidiert oder reduziert werden können. Die Potentiometrie wird bei ionischen Reaktionsprodukten eingesetzt. Die quantitative Bestimmung dieser Ionen erfolgt anhand ihres elektrischen Potentials an einer Messelektrode

Anwendungen

Das erste Messsystem, das als Biosensor entsprechend der oben angeführten Definition bezeichnet werden kann, wurde 1962 von Clark und Lyons entwickelt.[1] 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.

Bei diesem Aufbau ist das biologische Material zwischen zwei Membranen eingeschlossen, oder das biologische System ist auf eine Membran aufgebracht und wird direkt mit der Oberfläche des Transduktors verbunden. Die Anwendungsbereiche für Biosensoren in der Analytik von Wasser und Abwasser lassen sich unterteilen in Biosensoren zur Bestimmung von Einzelkomponenten, Biosensoren zur Bestimmung von Toxizität und Mutagenität sowie in Biosensoren zur Bestimmung des Biochemischen Sauerstoffbedarfs (BSB).

Der Bakteriengehalt von Badegewässern, oder von Abwässern lässt sich mittels eines Biosensors bestimmen. Auf einer schwingenden Membran sind hierbei Antikörper gegen bestimmte Bakterienarten angebracht. Schwimmen die entsprechenden Bakterien am Messfühler vorbei, heften sie sich an die Antikörper und verlangsamen dadurch die Schwingungen der Membran. Unterschreiten die Schwingungen einen bestimmten Wert, wird Alarm ausgelöst.

Die Penicillinkonzentration in einem Bioreaktor, in welchem Pilzstämme kultiviert werden, lässt sich mit einem Biosensor bestimmen. Die biologische Komponente des hierbei verwendeten Sensors stellt hierbei das Enzym Acylase dar. Dieses Penicillin spaltende Enzym wird auf eine Membran gebracht, die einer pH-Elektrode aufliegt. Nimmt nun die Penicillinkonzentration im Medium zu, spaltet das Enzym immer größere Mengen einer Säure, der Phenylessigsäure, ab. Dadurch verändert sich der pH-Wert an der Elektrode. Man kann also nun vom pH-Wert auf die Konzentration des Penicillins schließen.

Quellen

  1. Clark, L.C. und Lyons, C. (1962): Electrode systems for continuous monitoring in cardiovascular surgery. In: Ann. N.Y. Acad. Sci. Bd. 31, Nr. 102, S. 29-45. PMID 14021529
  • Eggins, Brian R. (2002): Chemical Sensors and Biosensors. Analytical Techniques in the Sciences. 2. Edition, Wiley, ISBN: 0-471-89914-3

Weblinks


Wikimedia Foundation.

Schlagen Sie auch in anderen Wörterbüchern nach:

  • Biosensor — Biosensoren sind Messfühler, die mit biologischen Komponenten ausgestattet sind. Diese werden in der biotechnologischen Messtechnik angewendet. Inhaltsverzeichnis 1 Aufbau und Prinzip 2 Arten von Biosensoren 3 Anwendungen …   Deutsch Wikipedia

  • Arsen — Eigenschaften …   Deutsch Wikipedia

  • Bioelektronik — Als Bioelektronik wird der Bereich der Biotechnologie bezeichnet, in dem versucht wird, biologische und elektronische Bauelemente zu kombinieren und so technisch nutzbar zu machen. Im Zentrum der bioelektronischen Forschung stehen vor allem die… …   Deutsch Wikipedia

  • Biosensor — Bio|sen|sor 〈m. 23〉 Instrument zur (elektron.) Messung von physikalischen u. chemischen Abläufen am u. im Körper * * * Bi|o|sen|sor ↑ Sensor. * * * Bio|sen|sor [auch: … zɛn…], der: Gerät zur elektronischen Messung physikalischer u. chemischer… …   Universal-Lexikon

  • Biotechnologie — Dickete bei der Käseherstellung …   Deutsch Wikipedia

  • Frieder Scheller — Frieder Wolfram Scheller (* 17. August 1942 in Dresden) ist ein deutscher Chemiker und Professor für Analytische Biochemie an der Universität Potsdam. Seine Forschungsinteressen betreffen vor allem die Entwicklung und Anwendung von Biosensoren… …   Deutsch Wikipedia

  • Frieder W. Scheller — Frieder Wolfram Scheller (* 17. August 1942 in Dresden) ist ein deutscher Chemiker und Professor für Analytische Biochemie an der Universität Potsdam. Seine Forschungsinteressen betreffen vor allem die Entwicklung und Anwendung von… …   Deutsch Wikipedia

  • RIfS — Die Reflektometrische Interferenzspektroskopie (RIfS) ist eine physikalische Methode, die auf der Interferenz von Weißlicht an dünnen Schichten beruht. Diese Methode wird in der Praxis dazu eingesetzt, um molekulare Interaktionen zu untersuchen.… …   Deutsch Wikipedia

  • Reflektometrische Interferenzspektroskopie — Die reflektometrische Interferenzspektroskopie (RIfS) ist eine physikalische Methode, die auf der Interferenz von Weißlicht an dünnen Schichten beruht. Diese Methode wird in der Praxis dazu eingesetzt, um molekulare Wechselwirkungen zu… …   Deutsch Wikipedia

  • Sensor — Fühler; Messwertgeber; Detektor; Messfühler * * * Sẹn|sor 〈m. 23〉 1. elektr. Bauelement, das physikal. od. chem. Größen erfasst u. in elektrische od. digitale Signale umsetzt u. somit zu Messungen in nicht zugänglichen Bereichen geeignet ist; Sy …   Universal-Lexikon

Share the article and excerpts

Direct link
Do a right-click on the link above
and select “Copy Link”