Biosensoren - Entwicklung und Applikation


Nach einer IUPAC-Definition ist ein Biosensor, im Unterschied zu biotischen Sensoren oder Biotests, ein in sich geschlossenes integriertes System, das eine spezifische quantitative oder halb-quantitative analytische Information liefert, und das aus biologischem Erkennungselement (biochemischer Rezeptor) und Transducer besteht, die sich in direktem räumlichen Kontakt befinden [IUPAC, 1996. A definition of biosensors. Electrochemical biosensors: proposed definitions and classification. Biosens. Bioelectron. 11 (4), i].

Biosensor-Prinzip
Prinzip des Biosensors

Die biologische Erkennungsreaktion des Rezeptors wird am Transducer in ein elektronisch verwertbares Signal umgesetzt. Biosensoren werden zur selektiven Bestimmung einer chemischen Verbindung in einem komplexen Gemisch eingesetzt. Sie stellen analytische Systeme dar, die die einfache, schnelle und kostengünstige Messung von Analyten in den Bereichen Medizin, Umweltanalytik, Lebensmittel-, pharmazeutische und biotechnologische Industrie erlauben. Die Biosensor-Messung ist als reagenzfreies Messverfahren, bei dem keine toxischen Abfälle entstehen, per se umweltfreundlich. Die einfache Probenaufbereitung (in der Regel genügt Mischen mit Pufferlösung), gute Selektivität und hohe Sensitivität sind weitere Vorteile.

Die hauptsächlich verwendeten biologischen Rezeptoren sind Enzyme, Mikroorganismen, Gewebeschnitte, Antikörper, Lektine, Aptamere und DNA. Um die biologische Komponente in unmittelbarer Nähe des Transducers anzuordnen werden unterschiedliche Immobilisierungsmethoden verwendet, z.B. Adsorption, Gel-Einschluss, kovalente Bindung oder Vernetzung. Die gewählte Methode soll gewährleisten, dass die biologische Komponente auf der Oberfläche fest genug verankert ist, um nicht in die Messlösung zu diffundieren, in immobilisierter Form ausreichend aktiv bleibt und für den Analyten gut verfügbar ist. Enzyme, die in Biosensoren Anwendung finden, gehören größtenteils zu den Oxidoreduktasen und Hydrolasen. Oxidoreduktasen gehören zur Ladungstransfer-Reaktions-Kette und übertragen Elektronen. Dadurch sind sie für die Kopplung mit elektrochemischenTransducern besonders geeignet.

Bekanntestes Beispiel: Der Glukose-Sensor

Das bekannteste Beispiel eines Enzymsensors ist der Glukose-Sensor, der in den meisten Fällen aus dem Enzym Glukose-Oxidase (GOD), immobilisiert auf einem amperometrischen Transducer besteht. Im Glukose-Sensor setzt die Glukose-Oxidase Glukose katalytische zu Glukonolakton um, wobei Sauerstoff verbraucht wird und Wasserstoffperoxid entsteht:

Enzym Glukose-Oxidase

Aufgrund des stöchiometrischen Umsatzes kann als Messsignal z.B. die elektrochemische Oxidation des entstehenden Wasserstoffperoxids genutzt werden.
Enzymsensoren finden breite Anwendung in der medizinischen und sportmedizinischen Diagnostik, für die Selbstkontrolle und in Laborgeräten (z.B. Blut-Glukosemessung für Diabetiker, Laktatmessung zur Kontrolle des Fitnesszustandes von Sportlern). Für die Bioprozesskontrolle werden Online-Analysensysteme mit Biosensoren zur Bestimmung von z.B. Glukose, Laktat, Saccharose, Ethanol, Methanol, Acetat angeboten.

Antikörper und Aptamere

Antikörper sind vom Immunsystem gebildete Proteine aus der Klasse der Globuline und stellen die Antwort des Immunsystems auf den Kontakt mit einer körperfremden Substanz dar. Antikörper für die Verwendung in Biosensoren und anderen Testsystemen werden größtenteils über die Immunisierung von Tieren mit der Targetsubstanz erzeugt und aus dem Blut der Tiere isoliert. Biosensoren mit immobilisierten Antikörpern als Rezeptoren werden Immunsensoren genannt. Die Affinität des Antikörpers zu dem Antigen wird für die Messung benutzt. Immunsensoren werden in der medizinischen Diagnostik, der Nahrungsmittel- und Umweltanalytik angewendet. Z.B. werden medizinisch relevante Antigene im Blut nachgewiesen (z.B. Herzinfarktmarker), Antibiotika in Milch und Pestizide und andere Schadstoffe in der Umweltanalytik. Sie werden auch zum Nachweis von Sprengstoffen und Drogen im Sicherheitsbereich eingesetzt.
Aptamere sind neue biomolekulare Erkennungssysteme, die neben anderen Anwendungen auch als Rezeptoren in Biosensoren verwendet werden können. Mit Aptamer-Biosensoren können Analyte gemessen werden, die bislang einer Biosensor-Messung nicht oder schwer zugänglich sind, z.B. toxische oder nicht-immunogene Substanzen und kleine organische Moleküle.

Antikörper und Aptamere weisen hohe Affinitäten zur jeweiligen nachzuweisenden Substanz auf. Die Signalbildung aus der Bindung an das Targetmolekül wird hauptsächlich über optische oder mikrogravimetrische Transducer gemessen. Optische Transducer basieren auf den Prinzipien der Photometrie, wobei häufig Farb- oder Lumineszenz- Änderungen erfasst werden, oder sie messen Schichtdickenänderungen, z.B. mittels Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) oder reflektometrischer Interferenzspektroskopie (RIfS). Das Prinzip der Mikrogravimetrie liegt den sog. QCM-Sensoren zugrunde (Quartz Crystal Microbalance), die eine Masseänderung detektieren.

Abgeschlossene Drittmittelprojekte Enzymsensoren

QUALI-JUICE: Quality Assurance and Development of an Early Warning System for Microbial Spoilage for the European Fruit Juice Industry
Laufzeit: 2005-2008
UFZ-Teilprojekt: Testung, Applikation und Validierung von Laktat-Biosensor-Systemen, Empfehlungen und Schulungsmaterialien für Anwender
EU Collective Research COLL-CT-2005-012461
16 europäische Partner
Kurzfassung

Regelung von Bioprozessen
Laufzeit 2001-2002
AiF ProINNO, KF 0218801KUL0
Partner: IBA GmbH Göttingen

Feldtest eines FIA-Monitors zur Phenolbestimmung mittels Biosensoren
Laufzeit 1999-2000
UFZ-Teilprojekt: "Anpassung von Dickschichtenzymsensoren zur Phenolbestimmung an Feldtestbedingungen"; DBU AZ: 13753
Partner: IMT Dresden

Amperometrischer Ammoniumsensor
Laufzeit 1997-2000
DBU AZ: 10660
Koordinator: SensLab GmbH Leipzig

Neue Biosensoren zur Bestimmung halogenierter Organika
Laufzeit 1997-2000
UFZ-Teilprojekt: Validierung des Testsystems
Deutsch-Israelische Stiftung für Wissenschaftliche Forschung und Entwicklung (GIF)
AZ: I 0442-168.09/95
Koordinator: Prof. Belkin, Hebrew University Israel,
Partner: Prof. Schmid, TU Stuttgart

FIA - Umweltmonitoring mit Biosensoren für die Überwachung von Schadstoffen und Metaboliten
Laufzeit 1995-1997
DBU AZ: 03867
Partner: IMT Dresden