B2Fol3 - Bionik TU
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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 Enthält Pflanzenextrakte Lotusblumen Zellkultur versus Bionik Synthetisches Produkt Erkundung des Effekts Photobiologische Wasserstoffproduktion H2 Biotechnologie Blaualge Nostoc muscorum versus H2O Vegetative Zelle O2 O2 H2 Bionik N2 Heterocyste CO2 Algen-Analoga <CH2O < H2 Bakterien-Analoga Konstruktion eines Schallschnelle-Vektormessgeräts Partikel Geschwindigkeit Technische Schaltung Biotechnologie versus Bionik Der bionische Ansatz Einmoleküldetektion durch eine Enzymkaskade Duftstoff Rezeptor AC cAMP cAMP cAMP cAMP ATP cAMP cAMP G-Protein ATP ATP cAMP AC = Adenylcyclase cAMP = cyclo-Adenosinmonophosphat Enzymkaskade beim Sehprozess 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 Phosphodiesterase (PDE*). Ein Molekül der PDE* wiederum ist in der Lage, 2000 cyclo-GuanosinmonophosphatMoleküle (cGMP) zu inaktivieren. In zwei Stufen erreicht die Kaskade also einen Verstärkungsgrad von 6 Millionen. Ein synthetischer Einmoleküldetektor müsste auf eine Katalysatorkaskade aufbauen ! Entwurf eines mechanischen Modells für eine Katalysatorkaskade S N S N oder S N Mechanisches Modell der Wirkung eines Katalysators S N S N Mechanisches Enzym S N S N N S S N S N S N S N 1000 · · · 1000 1000 1000 · · 000 · S N 1000000 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 Magensäure Pepsin: Kann Kann Eiweißnoch spalten. Pepsinogen: kein Eiweiß spalten! Adsorption Bindung der Enzyme an ein technisches Substrat Gel-Einschluss Kovalente Bindung Vernetzung In Biosensoren benutzte Immobilisierungsmethoden Magensäure Pepsin: Kann Kann Eiweißnoch spalten. Pepsinogen: kein Eiweiß spalten! Elektrode Messlösung Membran Immobilisiertes Enzym Elektronik Membran ? Reaktionsschritte in einem Glukose-Biosensor Der Glukose-Biosensor wurde bereits in den 1960er Jahren entwickelt Metallstab Elektrochemische Zelle Wird eine Metallelektrode in einen Elektrolyten getaucht, so werden an der Phasengrenze Ladungsträger verschoben. Die Potenzialdifferenz ist aber separat nicht messbar. Elektrolyt V Elektrode 1 Leitende Brücke Um das Potenzial zu messen ist eine zweite (Ableit)elektrode notwendig ! Elektrolyt Elektrode 2 Bei der Amperometrie wird an die Elektrode ein konstantes Potenzial gelegt und der dadurch resultierende Stromfluss gemessen. Angelegtes Potenzial A Arbeitselektrode z.B. 600mV Elektrolyt Referenzelektrode Amperometrie Lumineszenz Glucose + 1 2 O2 + H2O Sauerstoffelektrode Lumineszenz Glucoseoxidase Kalorimetrie Gluconolacton + H2O2 + 7 kcal Gluconolactonase Gluconsäure + H+ pH-Elektrode MOSFET Technische Messaufnehmer für einen Glukose-Sensor Schaltkreis Signalmoleküle Signalumformer Anzeigegerät Sensor Schema eines Biosensors Effekt Chemische Substanz Temperatur Transducer Elektrode Thermistor Licht Masse Elektrisches Potenzial Piezokristall Verstärker Funktionsprinzip eines Biosensors Elektrisches Signal Analytlösung Selektor (Rezeptor) Transducer Thermodynamik Mechanik Optik Kalorimetrie Mikrogravimetrie Photometrie Temperaturmessung Wägung Elektrochemie Potentiometrie Amperometrie Konduktometrie Lumineszenz-, Farb-Messung Spannungs-, Strom-, Widerstands-Messung Foto: Forschungszentrum Jülich Der Knoblauch-Biosensor kann die wertvollen Inhaltsstoffe des Knoblauchs in den verschiedenen Pflanzen aufspüren. Biosensor für Knoblauch Der Penicillinsensor besteht aus einem Schichtpaket aus Aluminium, p-dotiertem Silizium, Siliziumdioxid, pH-empfindlichem Siliziumnitrid und dem Penicillin abbauenden Enzym Penicillinase. Das Enzym ist mit “Cross-Linker-Molekülen” an die Oberfläche gekoppelt. Taucht der Sensor in eine penicillinhaltige. Lösung, werden bei der enzymatischen Reaktion Wasserstoffionen frei. Diese lagern sich an die Siliziumnitridoberfläche an und ändern die elektrische Kapazität des Schichtpaketes. Penicillin-Biosensor Enzym immobilisiert in einer Matrix Verkapselung Platinelektrode Elektr. Anschluss Siliziumchip 300 µm SiO2 Aktive Sensoroberfläche 130 µm Querschnitt durch einen Glukosesensor mit Containment Referenzelektrode Gate (Tor) Membran Enzymgemisch Drain (Senke) Isolator Source (Quelle) Gehäuse n n p A Spannungsquelle Strommessgerät Integration: Biosensor/Feldeffekttransistor (BioFET) Isolatoren Halbleiter Selen Kunststoffe Germanium Diamant Quarz -16 10 Silber Eisen Glas Glimmer 10 Metalle Silizium -12 10 -8 -4 10 Leitfähigkeit 10 0 1 m 10 4 10 8 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. n-dotiert Silizium Bor Phosphor p-dotiert Elektronenleitung und Löcherleitung im dotierten Halbleiter n-dotiert p-dotiert Ausbildung einer Sperrschicht “Dotierung” des Wassers in einem Schwimmbecken n-dotiert Gate Drain Source n n p-dotiert p MOSFET Metal Oxide Semi Conductor Field Effect Transistor Der MOS-FET befindet sich im Sperrzustand (deshalb selbstsperrend genannt), wenn keine positive Spannung zwischen Gate- und Source-Anschluß anliegt. n-dotiert G S n D n p-dotiert p 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-dotiert S G n D n p-dotiert p 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. Ionen Membran Signalmolekül Rezeptor Immobilisierte Enzyme V S Vergleich G n D n Na+-Tore / BIOFET p A Die Elektronenröhre A Ein steuerbares Tor Was zeichnet den Biosensor aus ? Extreme Empfindlichkeit Selektivität auf biologische Stoffe Harnstoff-Biosensor Enzym Urease Zyanid-Biosensor Formaldehyd-Biosensor Enzym Formaldehyd-Dismutase aus dem Bakterienstamm Pseudomonas putida J3 Anthrax-Biosensor Ende
