EinBiosensor ist ein analytisches Gerät, das zur Detektion einer chemischen Substanz verwendet wird und eine biologische Komponente mit einem physikalisch-chemischenDetektor kombiniert. Die zu bestimmende biologische Substanz kann sowohl außerhalb des Körpers (in vitro) wie auch im Körper (in vivo) gemessen werden, also als tragbarer Biosensor eingesetzt werden. In den letzten Jahren werden Biosensoren auch dazu genutzt, biologische Signale wie Herzfrequenz (EKG), Atemgaszusammensetzung oder Nervensignale zu messen. Manche können mit Algorithmen oder mitKünstlicher Intelligenz Signale analysieren und Rückkopplungen generieren[1][2].
Biosensoren basieren auf der direkten räumlichen Kopplung einesimmobilisierten biologisch aktiven Systems mit einem Signalumwandler (Transduktor) und einemelektronischen Verstärker. Für die Erkennung der zu bestimmenden Substanzen nutzen Biosensoren biologische Systeme auf unterschiedlich hohem Integrationsniveau. Solche Erkennungselemente können entweder natürliche (z. B.Antikörper,Enzyme,Nukleinsäuren,Organellen oderZellen) oder synthetische (z. B.Aptamere,molekular geprägte Polymere,Makrocyclen oder synthetischePeptide) Systeme sein.[3] Das immobilisierte biologische System des Biosensors tritt in Wechselwirkung mit demAnalyten. Dabei kommt es zu physikochemischen Veränderungen, wie z. B. Veränderungen der Schichtdicke, derBrechungsindizes, der Lichtabsorption oder der elektrischen Ladung. Diese Veränderungen können mittels des Transduktors, wie z. B. optoelektrischen Sensoren, amperometrischen und potentiometrischen Elektroden oder speziellenFeldeffekttransistoren (chemisch sensitiver Feldeffekttransistor) bestimmt werden.[4] Nach dem Messvorgang muss der Ausgangszustand des Systems wiederhergestellt werden. Ein Problem bei der Entwicklung von Biosensoren ist dieKorrosion des Biosensors durch eine Beschichtung mit Zellen (Biokorrosion) oder durch dasKulturmedium. Beispielsweise korrodieren typische Zellkulturmedien für eukaryotische ZellkulturenSilicium mit einer Geschwindigkeit von etwa 2 nm/h.[5]
Die Messung eines Analyten mittels eines Biosensors erfolgt demnach in drei Schritten. Zunächst erfolgt die spezifische Erkennung des Analyten durch das biologische System des Biosensors. Anschließend findet die Umwandlung der physikochemischen Veränderungen, die durch die Wechselwirkungen des Analyten mit dem Rezeptor entstehen, in ein elektrisches Signal statt. Dieses Signal wird dann verarbeitet und verstärkt. Signalumwandlung und Elektronik können kombiniert werden, z. B. in CMOS-basiertenMikrosensorsystemen.[6][7] Seine Selektivität und Empfindlichkeit bezieht ein Biosensor aus dem verwendeten biologischen System.
Dazu gehörenkontinuierlich messende Glucosesensoren, intraokulare Drucksensoren, tragbare Klebepflaster (engl.wearable patches) und Sensoren dieAtemfrequenz oder Schlafqualität erfassen. Zu dieser Kategorie zählen auchNeurale Stimulatoren, wie dieTiefe Hirnstimulation beiMorbus Parkinson,Vagusnervstimulatoren undKardiale Drucksensoren, die denpulmonalarteriellen Druck (PA-Druck) direkt in der Lungenschlagader messen[1].
Die Entwicklung innovativer Materialien wieGraphene,Hydrogele,Nano-Fasern und -Drähte und deren besondere Eigenschaften wie Flexibilität undDehnbarkeit,Biokompatibilität,Sterilisierbarkeit hat ab 2015 schnell zugenommen. Ferner haben Fortschritte bei der transkutanen Energieübertragung für drahtloses Laden, sichere Signalübertragungs- und Verarbeitungs methoden, die Miniaturisierung und die Herstellung großer Stückzahlen zu automatisieren ein Übriges geleistet, die Forschung und Entwicklung von Biosensoren voranzubringen[2][8].
Das erste Messsystem, das als Biosensor entsprechend der oben angeführten Definition bezeichnet werden kann, wurde 1962 von Clark und Lyons entwickelt.[9] Es wurde ein Messsystem beschrieben, das die Bestimmung vonGlucose imBlut während und nach Operationen ermöglicht. Dieser Biosensor bestand wahlweise aus einerSauerstoffelektrode nach Clark oder einerpH-Elektrode als Transduktor, vor denen zwischen zweiMembranen das EnzymGlucose-Oxidase aufgebracht war. Die Glucosekonzentration konnte als Änderung despH-Wertes bzw. als Änderung der Sauerstoffkonzentration infolge derOxidation der Glucose unter katalytischer Wirkung des Enzyms Glucose-Oxidase bestimmt werden.
Bei diesem Aufbau ist das biologische Material zwischen zwei Membranen eingeschlossen, oder das biologische System ist auf eine Membran aufgebracht und wird direkt mit der Oberfläche des Transduktors verbunden. Die Anwendungsbereiche für Biosensoren in der Analytik vonWasser undAbwasser lassen sich unterteilen in Biosensoren zur Bestimmung von Einzelkomponenten, Biosensoren zur Bestimmung vonToxizität undMutagenität sowie in Biosensoren zur Bestimmung desBiochemischen Sauerstoffbedarfs (BSB).
Biosensoren zur Bestimmung von Proteinen wurden mit Silizium-Feldeffekt-Sensoren (sogenanntenChemFETs) realisiert. Sie ermöglichen die markerfreie Analyse von Proteinen im Bereich derProteinanalytik durchin-situ-Verfahren, da sie die Proteinanbindung über die intrinsische Ladungsmenge des Proteins mittels Feldeffekt detektieren.[10]
DerBakteriengehalt von Badegewässern oder von Abwässern lässt sich mittels eines Biosensors bestimmen. Auf einer schwingenden Membran sind hierbeiAntikörper gegen bestimmte Bakterienarten angebracht. Schwimmen die entsprechenden Bakterien am Messfühler vorbei, heften sie sich an die Antikörper und verlangsamen dadurch die Schwingungen der Membran. Unterschreiten die Schwingungen einen bestimmten Wert, wird Alarm ausgelöst.
DiePenicillinkonzentration in einemBioreaktor, in welchemPilzstämme kultiviert werden, lässt sich mit einem Biosensor bestimmen. Die biologische Komponente des hierbei verwendeten Sensors stellt hierbei das EnzymAcylase dar. Dieses Penicillin spaltende Enzym wird auf eine Membran gebracht, die einer pH-Elektrode aufliegt. Nimmt nun die Penicillinkonzentration im Medium zu, spaltet das Enzym immer größere Mengen einerSäure, derPhenylessigsäure, ab. Dadurch verändert sich derpH-Wert an der Elektrode. Man kann also nun vom pH-Wert auf die Konzentration des Penicillins schließen.
Zu den Biosensoren gehört auchOberflächenplasmonenresonanzspektroskopie. Hierbei wird die Bindung von Stoffen mittelsPlasmonen-Detektion gemessen.
Eine neue Entwicklung zur Überwachung von Lebensmitteln basiert auf Nanosensoren. DieFluoreszenz vonNanopartikeln, die sich in einemAgarose-Nährmedium befinden, ändert sich deutlich, wenn sich der pH-Wert aufgrund eines bakteriellen Stoffwechsels im Lebensmittel ändert. Hierbei sind in den Nanopartikeln zwei Fluoreszenzfarbstoffe eingebettet. Der erste ist ein wasserabweisenderFluoreszeinfarbstoff. Er leuchtet grün bei Anregung mit einer Leuchtdiode und reagiert empfindlich auf eine Änderung des pH-Wertes. Der zweite, ein Farbstoff mit pH-unabhängiger roter Fluoreszenz, dient als interne Referenz.[11]
Mit einem neuartigen pH-Sensor lassen sich pH-Wert-Änderungen in lebenden Zellen über längere Zeiträume verfolgen. Das Prinzip beruht auf einer Kombination fluoreszierender Nanokristalle mit beweglichenOligonukleotiden, die sich in Abhängigkeit vom umgebenden pH-Wert zusammenfalten oder ausstrecken. Damit wird der Abstand zwischen dem Nanokristall-Energiedonor mit einem grünenFluoreszenzfarbstoff und einemFRET-Akzeptor, der aus einem roten Fluoreszenzfarbstoff besteht, pH-abhängig geändert. Zu einem FRET-Energietransfer und damit zum Leuchten des roten Fluoreszenzfarbstoffes kommt es dabei, wenn der Abstand gering ist. Beobachtet wird das Verhältnis zwischen grüner und roter Fluoreszenz mit einemFluoreszenzmikroskop.[12]