Биосенсор

Биосенсоры - это измерительные датчики , оснащенные биологическими компонентами. Они используются в биотехнологической измерительной технике. Термин был придуман в 1977 году Карлом Камманном; ИЮПАК дал ему определение с 1997 года.

Устройство и принцип

Тест-полоски для определения уровня сахара в крови - типичные биосенсоры. Здесь содержание глюкозы в нанесенной крови определяется амперометрически.

Биосенсоры основаны на прямом пространственном соединении иммобилизованной биологически активной системы с преобразователем сигнала ( преобразователем ) и электронным усилителем . Биосенсоры используют биологические системы на разных уровнях интеграции для идентификации определяемых веществ. Такие элементы распознавания могут быть природными (например, антитела , ферменты , нуклеиновые кислоты , органеллы или клетки ) или синтетическими (например, аптамеры , молекулярно импринтированные полимеры , макроциклы или синтетические пептиды ) системами. Иммобилизованная биологическая система биосенсора взаимодействует с аналитом . Это приводит к физико-химическим изменениям, таким как Б. Изменения толщины слоя, показателей преломления , поглощения света или электрического заряда. Эти изменения могут быть выполнены с помощью преобразователя, например. B. Оптоэлектрические датчики, амперометрические и потенциометрические электроды или специальные полевые транзисторы ( химически чувствительные полевые транзисторы ) могут быть определены. Исходное состояние системы необходимо восстановить после процесса измерения. Проблемой при разработке биосенсоров является коррозия биосенсора из-за покрытия клетками ( биокоррозия ) или из-за культуральной среды . Например, типичная среда для культивирования клеток для культур эукариотических клеток разъедает кремний со скоростью около 2 нм / ч.

Таким образом, измерение аналита с помощью биосенсора происходит в три этапа. Прежде всего, аналит определенно распознается биологической системой биосенсора. Затем физико-химические изменения, возникающие в результате взаимодействия между аналитом и рецептором, преобразуются в электрический сигнал. Затем этот сигнал обрабатывается и усиливается. Преобразование сигналов и электроника могут быть объединены, например Б. в микросенсорных системах на основе КМОП. Селективность и чувствительность биосенсора зависят от используемой биологической системы.

Типы биосенсоров

Пьезоэлектрические датчики
Колебаний частота кварца обратно пропорциональна квадратному корню из его массы. Кристалл кварца с покрытием с ферментами , антителами или другими связующими веществами , таким образом , может быть использован в качестве микровесов . Особо чувствительным (чувствительным) особым случаем являются датчики поверхностных волн (датчики на ПАВ, поверхностные акустические волны ). Здесь на пьезоэлектрический кварц нанесены два покрытия, которые служат передатчиком или приемником и излучают поверхностные акустические волны после электрического возбуждения. Связывая антиген с антителом, иммунные реакции вызывают изменение поверхности и, следовательно, изменение резонансной частоты волны.
Оптические датчики
На практике эти датчики в основном используются для отслеживания содержания кислорода в жидкостях. Принцип измерения здесь основан на тушении флуоресценции . Измерительным прибором служит оптический волновод , на конце которого крепится индикатор. В люминесценции или поглощения свойства этого показателя зависит от химических параметров , таких как концентрация кислорода. Другой метод, который можно использовать, основан на затухании , которое возникает во время полного отражения при переходе от оптически более плотной среды к оптически более тонкой. Здесь флуоресцентный свет от меченного флуоресценцией аналита может быть направлен в световод, и может быть сделано заявление о концентрации. Этот метод используется для определения антигенов посредством реакции со специфическим антителом на поверхности световода. Метод можно сделать более чувствительным, если нанести на поверхность световода тонкую металлическую пленку. В металлической пленке происходят флуктуации плотности свободных носителей заряда ( плазмонов ). В таком сенсоре, основанном на принципе поверхностного плазмонного резонанса , металлическая пленка дополнительно покрывается декстранами, с которыми могут связываться специфические антитела к аналиту.
Электрохимическое обнаружение
  • с помощью амперометрии : при амперометрии ток измеряется в измерительной камере на двух электродах при постоянном напряжении. Он подходит для продуктов обмена веществ, которые легко окисляются или восстанавливаются. Часто также используются медиаторы, т.е. окислительно-восстановительные пары, которые косвенно вмешиваются в процесс окисления реального субстрата и служат для переноса электронов . З. Если , например, определяемый субстрат окисляется FAD , который является коферментом большинства оксидаз , FAD восстанавливается до FADH, затем FADH снова окисляется до FAD окисленной формой медиатора. Образовавшаяся восстановленная форма медиатора снова анодно окисляется. Используя записи вольт-амперных кривых, можно сделать выводы о окислительно-восстановительном поведении и концентрации фактического субстрата. В качестве посредников з. B. Используются гидрохинон или производные ферроцена . Преимущество медиаторов в том, что вы можете указать гораздо более низкое напряжение и тем самым избежать нежелательных побочных реакций. Применяются амперометрические биосенсоры, например, Б. используется для определения глюкозы , холестерина , жирных кислот и L- аминокислот с соответствующими ферментами в виде оксидаз.
  • с помощью потенциометрии : Потенциометрия используется для ионных продуктов реакции. Количественное определение этих ионов выполняется на основе их электрического потенциала на измерительном электроде, покрытом подходящим ферментом для определения субстрата. В гидролазах , например B. urease определяется изменение pH или изменение ионов аммония или гидрокарбонатных ионов . Ионно- чувствительные полевые транзисторы (ISFET) или кислотные электроды с металлическим оксидным покрытием ( MOSFET ) часто используются в качестве измерительных электродов . В качестве электрода сравнения используется электрод того же типа, но без ферментного покрытия. Для определения z используется потенциометрический метод. B. мочевина , креатинин или аминокислоты .
  • с ионоселективными электродами : если они покрыты ферментом, они работают по тому же принципу, что и для потенциометрии.
Интерферометрическое обнаружение
Здесь биомолекулы взаимодействуют со слоем полимера, изменение толщины которого отслеживают с помощью рефлектометрической интерференционной спектроскопии.

Приложения

Первая измерительная система, которую можно назвать биосенсором в соответствии с приведенным выше определением, была разработана Кларком и Лайонсом в 1962 году. Описана измерительная система, позволяющая определять уровень глюкозы в крови во время и после операций. Этот биосенсор состоял либо из кислородного электрода Кларка, либо из pH-электрода в качестве преобразователя, перед которым между двумя мембранами применялся фермент глюкозооксидаза . Концентрация глюкозы может быть определена как изменение значения pH или как изменение концентрации кислорода в результате окисления глюкозы под каталитическим действием фермента глюкозооксидазы.

В этой конструкции биологический материал заключен между двумя мембранами, или биологическая система наносится на мембрану и соединяется непосредственно с поверхностью датчика. Области применения биосенсоров для анализа воды и сточных вод можно разделить на биосенсоры для определения отдельных компонентов, биосенсоры для определения токсичности и мутагенности и биосенсоры для определения биохимической потребности в кислороде (БПК).

Биосенсоры для определения белков были реализованы с помощью кремниевых датчиков полевого эффекта (так называемые ChemFET ). Они позволяют маркерный свободный анализ белков в области анализа белка путем на месте процесса, так как они обнаруживают белка связываний на внутренней величине заряда белка с помощью эффекта поля.

Содержание бактерий купания или сточных вод может быть определена с использованием биосенсора. Антитела против определенных видов бактерий прикреплены к вибрирующей мембране . Если соответствующие бактерии проплывают мимо датчика, они прикрепляются к антителам и тем самым замедляют колебания мембраны. Если уровень вибрации опускается ниже определенного значения, срабатывает сигнализация.

Концентрация пенициллина в биореакторе, в котором культивируются штаммы грибов, может быть определена с помощью биосенсора. Биологическим компонентом используемого здесь сенсора является фермент ацилаза . Этот фермент, расщепляющий пенициллин, помещен на мембрану, которая покоится на pH-электроде. Если концентрация пенициллина в среде увеличивается, фермент отщепляет еще большее количество кислоты , фенилуксусной кислоты . Это изменяет значение pH на электроде. Итак, теперь можно вывести концентрацию пенициллина по значению pH.

Биосенсоры также включают спектроскопию поверхностного плазмонного резонанса . Связывание веществ измеряют с помощью плазмонной детекции.

Новая разработка для контроля пищевых продуктов основана на наносенсорах. Флуоресценции из наночастиц , которые находятся в агарозном питательной среде значительно изменяется , когда рН изменяется из - за бактериальный метаболизм в пище. В наночастицы встроены два флуоресцентных красителя. Первый - это флуоресцентный водоотталкивающий краситель . Он горит зеленым светом при возбуждении светодиодами и чутко реагирует на изменение значения pH. Второй, краситель с pH-независимой красной флуоресценцией, служит в качестве внутреннего стандарта.

С помощью нового типа датчика pH изменения значения pH в живых клетках можно отслеживать в течение более длительных периодов времени. Принцип основан на комбинации флуоресцентных нанокристаллов с гибкими олигонуклеотидами, которые складываются или растягиваются в зависимости от окружающего значения pH. Это изменяет расстояние между нанокристаллическим донором энергии с зеленым флуоресцентным красителем и акцептором FRET , который состоит из красного флуоресцентного красителя, в зависимости от pH. Передача энергии FRET и, следовательно, свечение красного флуоресцентного красителя происходит на небольшом расстоянии. Отношения между зеленой и красной флуоресценцией наблюдают с помощью флуоресцентного микроскопа .

набухать

  • RD Schmid , U. Bilitewski: Биосенсоры. В кн . : Химия в наше время . 26 год, № 4, 1992, стр. 163-173, ISSN  0009-2851
  • Брайан Р. Эггинс: химические сенсоры и биосенсоры. Аналитические методы в науках. 2-е издание. Wiley, 2002, ISBN 0-471-89914-3 .
  • M. Perpeet, S. Glass, T. Gronewold, A. Kiwitz, A. Malavé, I. Stoyanov, M. Tewes, E. Quandt: сенсорная система SAW для анализа молекулярных взаимодействий без маркеров. В кн . : Аналитические письма . Том 39, № 8, 2006 г., стр. 1747-1757.

литература

  • Райнхард Реннеберг, Доротея Пфайффер, Фред Лисдат, Джордж Уилсон, Улла Волленбергер, Фрэнсис Лиглер, Энтони П.Ф. Тернер: Фридер Шеллер и краткая история биосенсоров. В: Достижения биохимической инженерии / Биотехнологии. Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg 2008, ISBN 978-3-540-75200-4 , стр. 1–18 (краткий обзор истории биосенсоров)

веб ссылки

Индивидуальные доказательства

  1. ^ Рейнхард Реннеберг, Доротея Пфайффер, Фред Лисдат, Джордж Уилсон, Улла Волленбергер, Фрэнсис Лиглер, Энтони П.Ф. Тернер: Фридер Шеллер и краткая история биосенсоров. В: Достижения биохимической инженерии / Биотехнологии. Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg 2008, ISBN 978-3-540-75200-4 , стр. 3, там имя дано как «Карл Камман».
  2. ↑ Кан Динсер, Ричард Брух, Эстефания Коста-Рама, Мария Тереза ​​Фернандес-Абедул, Арбен Меркочи: Одноразовые датчики в диагностике, мониторинге пищевых продуктов и окружающей среды . В кн . : Современные материалы . 15 мая 2019 г., ISSN  0935-9648 , стр. 1806739 , DOI : 10.1002 / adma.201806739 .
  3. ↑ Флоринель-Габриэль Бэникэ: Химические сенсоры и биосенсоры: основы и приложения . John Wiley & Sons, Чичестер, Великобритания, 2012 г., ISBN 978-1-118-35423-0 .
  4. ^ Грэм Дж. Триггс, Гарет Дж. Эванс, Томас Ф. Краусс: Деградация кремниевых фотонных биосенсоров в средах для культивирования клеток: анализ и профилактика. В: Биомедицинская оптика Экспресс . Том 8, № 6, 2017 г., стр. 2924, DOI: 10.1364 / BOE.8.002924 .
  5. ↑ А. Хирлеманн , О. Бранд, К. Хаглайтнер, Х. Балтес: Методы микротехнологии для химических / биосенсоров. В: Труды IEEE. Том 91, № 6, 2003 г., стр. 839-863. ISSN  0018-9219 .
  6. ^ A. Hierlemann , H. Baltes : химические микросенсоры на основе CMOS. В кн . : Аналитик . Том 128, №1, 2003 г., стр. 15-28.
  7. ^ LC Clark, C. Lyons: Электродные системы для непрерывного мониторинга в сердечно-сосудистой хирургии. В: Ann. NY Acad. Sci. Том 31, № 102, 1962, с. 29-45. PMID 14021529
  8. ^ SQ Lud, MG Nikolaides, I. Haase, M. Fischer, AR Bausch: Эффект поля экранированных зарядов: электрическое обнаружение пептидов и белков с помощью тонкопленочного резистора. В кн . : ХимФисХим. Том 7, №2, 2006 г., стр. 379-384.
  9. ↑ Сюй-дон Ван, Роберт Дж. Мейер, Отто С. Вольфбайс: Флуоресцентные pH-чувствительные наночастицы в агарозной матрице для визуализации роста и метаболизма бактерий . В: Angewandte Chemie . лента 124 , вып. 45 , 2012 г., DOI : 10.1002 / anie.201205715 .
  10. ↑ Юан Р. Кей, Джунгмин Ли, Дэниел Г. Ночера, Мунги Г. Бавенди : Конформационный контроль передачи энергии: механизм для биосовместимых сенсоров на основе нанокристаллов . В: Angewandte Chemie . лента 124 , вып. 52 , 2012, ISSN  1521-3757 , DOI : 10.1002 / anie.201207181 .