Prinzip und Anwendung von Biosensoren

Bei Biosensoren handelt es sich um recht komplexe Messfühler, die biologische Komponenten enthalten. Daher spricht man in diesem Zusammenhang auch von „biotechnologischer Messtechnik“. Ausgenutzt werden dabei biochemische oder biologische Reaktionen, aus denen sich zunächst einmal analoge Signale, die sogleich digitalisiert werden, generieren lassen.

Als biologisch aktive Komponenten kommen zum Beispiel Antikörper, biologische Rezeptoren, Enzyme, Mikroorganismen oder Oligonukleotide infrage. Diese biologischen „Bauteile“ werden direkt mit einem Signalwandler (Transducer) verbunden beziehungsweise in diesen integriert.

Das Ziel ist immer ein elektronisches Signal, das in einem definierten funktionalen Zusammenhang mit der Konzentration einer bestimmten Substanz oder gegebenenfalls mit einer ganzen Reihe von Substanzen, den Analyten, steht. Biosensoren sind insofern spezielle (bio)chemische Sensoren mit der Besonderheit, dass Biomoleküle als Rezeptoren für bestimmte Analyten verwendet werden.

Das Prnzip des Biosensors
Zunächst ist da die biologische Erkennungsreaktion eines Rezeptors, die durch den Transducer in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Zu gebrauchen ist das zum Beispiel bei einem komplexen Stoffgemisch. Der auf einen bestimmten Stoff ausgerichtete Biosensor kann darin den Anteil beziehungsweise die Konzentration dieser chemischen Verbindung recht genau messen.

Biosensoren sind somit analytische Systeme, die eine schnelle, einfache und zugleich kostengünstige Bestimmung von Analyten ermöglichen, und zwar in weiten Bereichen der Medizin, der Umweltanalytik sowie der pharmazeutischen Industrie und Lebensmittelindustrie. Es handelt sich zudem um ein reagenzfreies Messverfahren, das heisst, durch die Messungen entstehen keinerlei toxische Abfälle. Die Probenaufbereitung ist im Vorfeld recht simpel, denn meistens reicht schon eine Mischung in einem bestimmten Verhältnis mit Pufferlösungen aus. Die Sensitivität, also die Genauigkeit, der Verfahren ist als ausgesprochen hochauflösend einzustufen.

Als biologische Rezeptoren werden meistens Antikörper, Aptamere, DNA, Enzyme, Gewebeschnitte, Lektine und Mikroorganismen verwendet. Wichtig ist, die biologische Komponente sehr nahe an den Transducer zu bringen. Zu diesem Zweck muss man sich jeweils für die passende Immobilisierungsmethode entscheiden. Infrage kommen dabei die Adsorption, Gel-Einschlüsse, Vernetzungen oder kovalente Bindungen. Es geht in jedem Fall darum, die biologische Komponente fest genug auf der Oberfläche zu verankern. Es muss also verhindert werden, dass diese langsam in die Messlösung diffundiert, weil dies die Messung stark verfälschen würde.

Auf der anderen Seite soll die biologische Komponente in ihrer immobilisierten Form in ausreichender Weise aktiv bleiben und für den Analyten verfügbar sein. Enzyme zum Beispiel gehören fast in der Regel den Hydrolasen und Oxidoreduktasen an. Letztere sind gekennzeichnet durch Ladungstransfer-Reaktions-Ketten, das heisst, es werden Elektronen übertragen. Aus diesem Grunde eignen sich Enzyme sehr gut für die Verwendung von elektrochemischen Transducern.

Anwendungsbeispiele
Clark und Lyons entwickelten schon im Jahre 1962 gemeinsam das erste Messsystem mit einem Biosensor. Dabei ging es damals um die Bestimmung von Glucose im Blut, was während und nach Operationen zur Anwendung kam.

Biosensoren sind auch zuständig für die Bestimmung des Gehaltes an Bakterien in Badegewässern oder in Abwässern. Zu diesem Zweck werden Antikörper auf schwingfähige Membranen geheftet, die jeweils auf bestimmte Bakterienarten reagieren. Je mehr der betrachteten Bakterien im Wasser sind und andocken, desto kleiner wird die Schwingfrequenz der Membran, ihr „Ton“ wird sozusagen „tiefer“. Bei Unterschreitung einer festgelegten Grenzfrequenz wird schliesslich Alarm ausgelöst.

Nanosensoren sind der neueste Schrei zur Überwachung von Lebensmitteln. Bakterieller Stoffwechsel wirkt sich auf den pH-Wert des Agarose-Nährmediums aus, in dem fluoreszierende Nanopartikel eingebettet sind. Die Nanopartikel werden zu diesem Zweck gleich mit zwei Fluoreszenzfarbstoffen beladen. Der Erste emittiert durch Anregung mit einer Leuchtdiode grünes Licht umso stärker, je mehr sich der pH-Wert schon verschoben hat. Der zweite rötliche Farbstoff ist pH-unabhängig und dient als Referenz.