B2Fol4 - Bionik TU

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Ingo Rechenberg
PowerPoint-Folien zur 4. Vorlesung „Bionik II / Biosensorik“
Algen, Daphnien und Kartoffelkäfer
Exotische Biosensoren im Einsatz
Weiterverwendung nur unter
Angabe der Quelle gestattet
Biosensor =
Bionisch-biotechnologisches Zwittersystem
Biosensor „Lackmuspapier“
pH
Säure
Base
Lackmus ist ein blauer Farbstoff,
der z. B. aus der Flechte Roccella
fuciformis gewonnen wird.
Färberflechte (Roccella fuciformis)
Schon um 1300 n. Chr. wurde
Lackmus von Arnaldus de Villanova,
einem Alchemisten und Arzt, als
chemisches Reagenz verwendet.
Biosensor für Arsennachweis im Wasser
(Meldung vom 29. 10. 2002)
Escherichia coli
Der Papierstreifentest funktioniert mit genmanipulierten Escherichia Coli
Bakterien als Biosensoren. Auf dem Teststreifen sind die Bakterien mit
einem immobilisierenden Nährsubstrat aufgetragen. Zur Messung wird der
Teststreifen eine Stunde lang in einen Becher der zu untersuchenden
Trinkwasserprobe gelegt. Ist anorganisches Arsen in der Probe enthalten,
produzieren die Bakterien entsprechende Mengen des Enzyms betaGalaktosidase. Unter Zugabe der Indikatorsubstanz X-Gal entsteht eine
Blaufärbung. Die Intensität der Blaufärbung korreliert mit der
Arsenkonzentration der Probe.
Bienenstock als Geigerzähler
„Die radioaktive Durchseuchung stellt eine rasch zunehmende Gefahr für viele
zivilisierte Länder dar. Da nun Bienen das biologisch wichtige radioaktive
Element Strontium 90 speichern, das bei Atomentladungen entsteht, hat man
neuerdings in der Nähe von Forschungszentren Bienenstöcke aufgestellt, die
mit Geigerzählern versehen sind. Wenn die Bienen zum Stock zurückkehren,
registriert der Geigerzähler die radioaktiven Spuren, und es läst sich leicht
erkennen, in welchem Ausmaß eine radioaktive Durchseuchung vorliegt.“
Deutsche Medizinische Wochenschrift, 80. Jahrgang, Nr. 20, S. 803, Mai 1955
Bienen als Biodetektive
„Hamburg - 60 000 Bienen sollen am Hamburger Flughafen die
Luftqualität testen. Eine Belastung von Pflanzen kann in ihrem Honig
zweifelsfrei nachgewiesen werden. Bisher sei der Honig immer
einwandfrei gewesen und verschenkt worden, teilte der Flughafen mit.“
Der Tagesspiegel, 4./ 5. Mai 2005
Vibrio fischeri
Kultur 3 Tage, 20°C
Seewasser- Komplettmedium
Der Leuchtbakterientest ist ein etabliertes Biotestverfahren zur Detektion von Schadstoffwirkungen
in Wasserproben. Er beruht auf der Hemmung der
bakteriellen Biolumineszenz durch toxische
Substanzen. Leuchtbakterien des Stammes Vibrio
fischeri NRRL B-11177 werden den Wasserproben
zugesetzt. Die Lumineszenz wird vor und nach
Beendigung der Einwirkzeit gemessen. Eine
Hemmung über 20 Prozent wird als toxische
Wirkung angesehen. Die Details des Verfahrens
sind in der DIN-Norm 38412 Teil 34 beschrieben.
Der Leuchbakterientest
Der Algentest
Die Algenkultur wird 15 Minuten belichtet, sodass die
Photosynthese in Gang kommt. Bringt man die belichteten Algen nun vom Hellen ins Dunkle, so kann ein
abklingendes dunkelrotes Nachleuchten (Wellenlänge
680nm bis 720nm) gemessen werden, die so genannte
verzögerte Fluoreszenz. Dieses schwache Nachleuchten ist eine intrinsische Eigenschaft aller photosynthetisch aktiven Pflanzenzellen. Photosynthesegifte verändern die Abklingkinetik der verzögerten Fluoreszenz.
Daphnientoximeter
InfrarotSensoren
Rheinwasser
InfrarotLampen
Ablauf
Das Daphnientoximeter ist ein biologisches Frühwarnsystem mit Wasserflöhen. Die Testorganismen Daphnia
magna befinden sich in einem Glascontainer im Inneren
des Gerätes und werden von einer Video-Kamera rund
um die Uhr beobachtet. Die Schwimmbahnen der Tiere
werden aufgezeichnet und analysiert. Änderungen im
Schwimmverhalten der Tiere zeigen die Anwesenheit von
toxischen Stoffen an.
„Sieben Nilhechte kontrollieren zurzeit das
Trinkwasser der Stadtwerke Göppingen. Wenn
das Wasser in Ordnung ist, senden die in ein
Aquarium eingesetzten Tiere 400 bis 800
elektrische Impulse in der Minute aus. Bei
verschmutztem Wasser sinkt die Impulsrate.“
Tagesspiegel: 22. 11. 1978
Elektroden
Gnathonemus petersii
Hz
Frequenzmesser
Biosensor “Elefantenrüsselfisch” für die Trinkwasserkontrolle
Kartoffelkäfer
Grünblattduft
Z-3-hexen-1-ol
im Kartoffelfeld
0,5
Der Kartoffelkäfersensor
-0,0
Die Spitze der Käferantenne taucht in einen Elektrolyten,
der den elektrischen Kontakt zwischen Antenne und
Transistor herstellt. Riecht der Käfer verletzte Pflanzen,
macht sich das in einem veränderten Transistorstrom
bemerkbar, der am Messgerät abgelesen werden kann.
Transistorstrom
-0,5
-1,0
Luft
1 ppb 10 ppb
-1,5
100 ppb
1 ppm
-2,0
-2,5
10 ppm
-3,0
-3,5
100
Referenzelektrode
Antenne
Grünblattduft
Elektrolyt
Antenne
Kartoffelkäfer
Grünblattduft
Transistor
Verstärker
Verstärker
100 ppm
150
200
250
Messzeit
300 ms
350
Elektroantennographie (EAG)
Kartoffelkäfer
Antenne
Antenne
Elektrolyt
FET
Ganzer Käfer
Elektrolyt
Elektrolyt
FET
Isolierte Antenne
Die Elektroantennographie (EAG) ist
eine Methode zur Messung olfaktorischer Reaktionen eines Insektes durch
die Ableitung elektrischer Signale an
seinen Antennen. Die Potenzialableitung erfolgt aus der Insektenantenne.
Dazu muss eine Elektrode mit der Antennenspitze verbunden werden, eine
zweite mit dem anderen Ende der Antenne bzw. dem Kopf des Insektes. Die
abgeleiteten Potenziale werden mit
einem hochohmigen Verstärker
verstärkt.
Elektroantennographie (EAG)
Mikro-Air-Vehikel mit Kartoffelkäfer-Elektroantennograph
Lokale Kartoffelkäfer-Elimination durch eine künstliche Libelle
mit (Z-3-hexen-1-ol)-„Grünblattduft“-Sensor
Die Antenne des
Kiefernprachtkäfers
als hochempfindlicher
Rauchgasdetektor
Prachtkäfer (Melanophila) benötigen als Nahrungsquelle für ihre Larven das Holz verbrannter
Bäume. Aus diesem Grund fliegen die Käfer
Waldbrände auch aus großen Entfernungen an.
Das Auffinden von Waldbränden erfolgt mittels
ihres Geruchssinns für brandspezifische Duftstoffe in den Antennen in Kombination mit einem
Infrarot-Grubenorgan am Thorax (rote Pfeile).
Rauchgasdetektor
Infrarotorgan
mV
EAG
Der Elektroantennograph misst die elektrophysiologische Antwort einer isolierten Antenne von
M. acuminata auf die Komponenten des Rauchgases. Es konnte gezeigt werden, dass die
Antennen von M. acuminata Guajakol-Verbindungen im Rauchgas besonders empfindlich
nachweisen können (bis 1pg/ml). Unter Berücksichtigung der aus schwelendem Kiefernholz in
Laborversuchen freigesetzten Menge Guajakol konnte abgeschätzt werden, dass ein einziger,
auf 2 m Höhe angekohlter Kiefernstamm bei schwachem Wind noch in über 1 km Entfernung
von den Käfern zu riechen ist.
Diese Abschätzung konnte in Feldmessungen mit einem tragbaren Elektroantennograph,
der mit einer Antenne von M. acuminata ausgestattet war, in der weiteren Umgebung eines
Brandversuches (07.08.2001 Reisigwall in der Oberförsterei Hammer) bestätigt werden.
Einen größeren Waldbrand kann der Kiefernprachtkäfer bis auf 50 km riechen
Die künstliche Nase von IBM
Die künstliche Nase besteht aus einer Reihe von Silizium-Federbälkchen (500 µm lang, 100µm breit, weniger als 1µm dick). Die
Bälkchen werden auf einer Seite mit Rezeptoren beschichtet.
Moleküle der gesuchten Substanz docken an der Oberfläche an.
Die Erhöhung der molekularen “Packungsdichte” auf der Oberfläche führt durch Erhöhung der Oberflächenspannung zu einer
Verbiegung des Siliziumbälkchens.
Der Miniatur-Federbalken
verbiegt sich, sobald die
gesuchte Substanz andockt
Werden die Siliziumbälkchen mit verschiedenen
Rezeptoren beschichtet, können verschiedene
Substanzen an den entsprechenden Rezeptorschichten andocken. Die Durchbiegungen in der
Größenordnung von 10 bis 20 nm können mit einem
Laserstrahl gemessen werden. Das Biegungsmuster gibt Auskunft über die Molekülkomposition.
Katalysatormodell
S
S
N
N
Katalysatormodell
Das Signalmolekül ist
zugleich der Katalysator.
Das Signalmolekül dockt an
ein Helfermolekül an wodurch
erst der Katalysator entsteht.
Das Helfermolekül stößt nach
einer gegebene Zeitspanne das
angedockte Signalmolekül ab.
Verfeinerung des mechanischen Katalysatormodells
Ende
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