Biosensor

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.

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Arten von Biosensoren

Piezoelektrische Sensoren: Die Schwingung eines Quarzes ist seiner Masse umgekehrt proportional. Ein mit Enzymen oder Antikörpern beschichteter Quarzkristall lässt sich somit als Mikrowaage verwenden. Ein Nachteil besteht darin, dass jeder beschichtete Sensor nur einmalig verwendet werden kann. Die Kosten für solch einen Kristall sind allerdings gering.

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 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