Post on 22-Jan-2016
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Ingo Rechenberg
PowerPoint-Folien zur 3. Vorlesung „Bionik II / Biosensorik“
Wie baut man einen Biosensor ?
Zwischen Bionik und Biotechnologie
Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet
Biotechnologie versus Bionik
Lotus Effekt
Biotechnologie
Bionik
versus
Lotusblumen Zellkultur
Erkundung des Effekts
Enthält Pflanzenextrakte
Synthetisches Produkt
Photobiologische
Wasserstoffproduktion
Biotechnologie
Bionik
versus
Heterocyste
Vegetative ZelleH O2
O2
H2N
2
2 2
COCH O
2
2<
<
O H
Algen-Analoga Bakterien-Analoga
2H
BlaualgeNostoc muscorum
Konstruktion eines
Schallschnelle-Vektormessgeräts
Partikel Geschwindigkeit
Biotechnologie
Bionik
versus
Technische Schaltung
Der bionische Ansatz
AC
Rezeptor
G-Protein
ATP
ATP
ATPcAMP
cAMP
cAMP cAMP cAMP
cAMP
cAMPAC = Adenylcyclase
cAMP = cyclo-Adenosinmonophosphat
Einmoleküldetektion durch eine Enzymkaskade Duftstoff
Licht überführt den Sehfarbstoff Rhodopsin in seine enzymatisch aktive Form (R*). Ein aktiviertes R* aktiviert 3000 Transducin-Proteine (T*). Diese Form des Transducins aktiviert das Enzym Phospho-diesterase (PDE*). Ein Molekül der PDE* wiederum ist in der Lage, 2000 cyclo-Guanosinmonophosphat-Moleküle (cGMP) zu inaktivieren. In zwei Stufen erreicht die Kaskade also einen Verstärkungsgrad von 6 Millionen.
Enzymkaskade beim Sehprozess
Entwurf eines mechanischen Modells für eine Katalysatorkaskade
Ein synthetischer Einmoleküldetektor müsste auf eine Katalysatorkaskade aufbauen !
NS
N
S
NS
oder
Mechanisches Modell der Wirkung eines Katalysators
NS
N
S
Mechanisches Enzym
NS
NS
NS
NS
NS
NS
NS
· · ·1000
· · ·1000
1000
1000 000
NS
1000 000
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
Pepsinogen: Kann noch kein Eiweiß spalten !
Magensäure
Pepsin: Kann Eiweiß spalten.
Adsorption
Gel-Einschluss
Kovalente Bindung
Vernetzung
In Biosensoren benutzte
Immobilisierungsmethoden
Bindung der Enzyme an ein technisches Substrat
Pepsinogen: Kann noch kein Eiweiß spalten !
Magensäure
Pepsin: Kann Eiweiß spalten.
Messlösung
Elek
trode
ElektronikImmobilisiertes EnzymMembran Membran
Reaktionsschritte in einem Glukose-Biosensor?
Der Glukose-Biosensor wurde bereits in den 1960er Jahren entwickelt
VElektrode 1 E lektrode 2Leitende Brücke
E lektrolyt
M etallstab
E lektro lyt
Wird eine Metallelektrode in einen Elektrolyten getaucht, so werden an der Phasengrenze Ladungsträger verschoben. Die Potenzialdifferenz ist aber separat nicht messbar.
Um das Potenzial zu messen ist eine zweite (Ableit)elektrode notwendig !
Elektrochemische Zelle
Bei der Amperometrie wird an die Elektrode ein konstantes Potenzial gelegt und der dadurch resultierende Stromfluss gemessen.
Arbeitselektrode Referenze lektrode
E lektro lyt
A
Angelegtes Potenzial
z. B. 600 mV
G lucose O 212
G lucose-oxidase+ G luconolacton + O 2H 2OH 2+ + 7 kcal
G lucono-lactonase
G luconsäure H ++
Kalorimetrie
Am perom etrieLum ineszenz
pH-E lektrodeM O SFET
Sauerstoffe lektrodeLum ineszenz
Technische Messaufnehmer
für einen Glukose-Sensor
S cha lt-kre is
S ignal- m o lekü le S ignalum form er A nze igegerä t
S ensor
Schema eines Biosensors
AnalytlösungSelektor
(Rezeptor) Effekt Transducer
Elektrode
Thermistor
Piezokristall
Verstärker
Chem ischeSubstanz
Tem peratur
Licht
Masse
ElektrischesPotenzial
Ele
ktr
isc
he
s S
ign
al
Funktionsprinzip eines Biosensors
Therm odynam ik
M ikrogravim etrie P hotom etrie
E lektrochem ie
Transducer
K a lo rim etrie
M echan ik O ptik
P o ten tiom etrieA m perom etrieK onduktom etrie
Tem pera turm essungW ägung
Lum ineszenz-, Farb -M essung
S pannungs-, S trom -, W iders tands-M essung
Der Knoblauch-Biosensor kann die wertvollen Inhaltsstoffe des Knoblauchs in den verschiede-nen Pflanzen aufspüren.
Foto
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ülich
Biosensor für Knoblauch
Der Penicillinsensor besteht auseinem Schichtpaket aus Aluminium, p-dotiertem Silizium, Siliziumdioxid,pH-empfindlichem Siliziumnitridund dem Penicillin abbauendenEnzym Penicillinase. Das Enzymist mit “Cross-Linker-Molekülen” an die Oberfläche gekoppelt. Taucht der Sensor in eine penicillinhaltige.Lösung, werden bei der enzymati-schen Reaktion Wasserstoffionenfrei. Diese lagern sich an die Silizi-umnitridoberfläche an und ändern die elektrische Kapazität desSchichtpaketes.
Penicillin-Biosensor
Querschnitt durch einen Glukosesensor mit Containment
VerkapselungPlatinelektrode
Siliziumchip
Aktive Sensoroberfläche
Elektr. AnschlussEnzym immobilisiertin einer Matrix
SiO2
300 m µ
130 m µ
G ehäuse
Source (Quelle)
G ate (Tor)M em bran
Enzym gem isch
Drain (Senke)Isolator
Spannungsquelle S trom m essgerät
A
pn n
Referenzelektrode
Integration: Biosensor/Feldeffekttransistor (BioFET)
Isolatoren Halbleiter Metalle
Kunststoffe
GlasGlimmer
DiamantQuarz
Selen
Germanium
Silizium
10 10 10 10 10 10 10-16 -12 -8 -4 0 4 8
Silber
Eisen
Leitfähigkeit 1 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.
Silizium
Bor
Phosphor
p-dotiert
n-dotiert
Elektronenle itung und Löcherle itung
im dotierten H alb le iter
n-dotiert p-dotiert
Ausbildung einer Sperrschicht
“Dotierung” des Wassers in einem Schwimmbecken
MOSFET
p-dotiert
n n
p
n-dotiert
DrainSourceGate
Der MOS-FET befindet sich im Sperrzustand (deshalb selbstsperrend genannt), wenn keine positive Span-nung zwischen Gate- und Source-Anschluß anliegt.
Metal Oxide Semi Conductor Field Effect Transistor
n n
p
SG
D
p-dotiert
n-dotiert
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.
n n
p
S DG
p-dotiert
n-dotiert
CEMFET BIOFET
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.
Signalmolekül
Rezeptor
Membran
Ionen
VImmobilisierte Enzyme
n n
p
S DG
Vergleich
Na+-Tore / BIOFET
A
A
Die Elektronenröhre
Ein steuerbares Tor
Extreme Empfindlichkeit
Selektivität auf biologische Stoffe
Was zeichnet den Biosensor aus ?
Extreme Empfindlichkeit
Zyanid-Biosensor
Formaldehyd-BiosensorEnzym Formaldehyd-Dismutase aus dem Bakterienstamm Pseudomonas putida J3
Anthrax-Biosensor
Harnstoff-BiosensorEnzym Urease
Ende