Folie 1

1
Ingo Rechenberg
PowerPoint-Folien zur 3. Vorlesung Bionik II
(Biosensorik / Bioinformatik)
Zwischen Bionik und Biotechnologie
Wie baut man
einen Biosensor ?
2
Biotechnologie versus Bionik
3
Superhydrophob
Lotus Effekt
4
Biotechnologie
versus
Bionik
5
Photobiologische Wasserstoffproduktion
6
Biotechnologie
versus
Bionik
7
Konstruktion eines Schallschnelle-Vektormessgeräts
Partikel Geschwindigkeit
8
Biotechnologie
versus
Bionik
9
Der bionische Ansatz zur Realisation einer
künstlichen Nase
10
Vorbild Biologie Verstärkung durch eine
Enzymkaskade
Duftstoff
AC Adenylcyclase
cAMP cyclo-Adenosinmonophosphat
11
Was passiert, wenn ein Duftmolekül auf ein
Rezeptormolekül trifft 1. Das Duftmolekül
aktiviert den Rezeptor 2. Der Rezeptor spaltet
ein G-Protein 3. Das gespaltene G-Protein
aktiviert das Enzym Adenylcyclase (AC) 4. Die
Adenylcyclase synthetisiert die Botenmoleküle
cAMP 5. Das cAMP-Molekül dockt an die Ionenkanäle
an 6. Die Ionenkanäle öffnen sich für
Natriumionen 7. Der Einstrom von Natriumionen
erzeugt ein elektrisches Signal
12
Was passiert, wenn ein Lichtquant auf ein
Rhodopsinmolekül trifft 1. 11-cis Retinal wird
in all-trans-Retinal umgewandelt 2. Es entsteht
Metarhodopsin 3. Metarhodopsin zerfällt in Opsin
und all-trans Retinal 4. Metarhodopsin aktiviert
Transducin 5. Transducin aktiviert
Phosphodiesterase (PDE) 6. PDE spaltet c-GMP in
5'-GMP 7. Dadurch schliessen sich Na-Kanäle 8.
Es kommt zu einer Hyperpolarisation 9. Messbare
Spannungsänderung - 40 mV
3 000
2 000
Molekulare Verstärkung 6 000 000
13
Ein synthetischer Einmoleküldetektor müsste auf
eine Katalysatorkaskade aufbauen !
Entwurf eines mechanischen Modells
für eine Katalysatorkaskade
14
"Katalyse ist die Beschleunigung eines langsam
verlaufenden chemischen Vorgangs durch die
Gegenwart eines fremden Stoffes" (1894).    "Ein
Katalysator ist jeder Stoff, der, ohne im
Endprodukt einer chemischen Reaktion zu
erscheinen, ihre Geschwindigkeit verändert.
(1901)"    Wilhelm Ostwald
Wilhelm Ostwald (1853-1932)
15
Spaltung von Methanol in Wasserstoff und
Kohlenmonoxid an spezifisch geformten Stellen
eines Palladiumkristalls
Palladium Metallkristall
Dr. Jörg Libuda, Prof. Hans-Joachim
Freund Fritz-Haber-Institut Berlin
Durch einen Molekularstrahl, in dem Moleküle
gebündelt in eine Richtung geschickt werden,
konnte nachgewiesen werden, dass die Aufspaltung
der C-O-Bindung des Methanols gerade an den
Kantenatomen ( ) der Palladium-Katalysatorteilche
n besonders beschleunigt wurde.
16
Entwurf eines mechanischen Modells
für eine Katalysatorkaskade
17
oder
Mechanisches Modell eines Moleküls, das in eine
andere Form umgewandelt wird (z. B. Rhodopsin in
Metarhodopsin)
18
Mechanisches Enzym
19

1000
20
(No Transcript)
21
1000

1000 000
1000
22
1
1000 000
23
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
Das sieht dann so aus
24
Was zeichnet den Biosensor aus ?
Extreme Empfindlichkeit
Extreme Empfindlichkeit
Selektivität auf biologische Stoffe
25
Der geschichtlich erste Biosensor, der die
Selektivität auf eine biologisches Substanz nutzte
Der Glukose-Biosensor
26
Elektrode
Messlösung
Elektronik
Immobilisiertes Enzym
Membran
Membran
?
Es fehlt in dem Bild die 2. Elektrode
Reaktionsschritte in einem Glukose-Biosensor
Der Glukose-Biosensor wurde bereits in den 1960er
Jahren entwickelt
Text
27
Molekulare Formerkennung
Schema eines Biosensors
28
Selektor
Transducer
Analytlösung
(Rezeptor)
Effekt
Chemische
Substanz
Elektrode
l
a
n
Temperatur
g
Thermistor
i
S

s
e
Licht
h
Nano-Formerkennung
c
s
i
r
t
k
Masse
e
Piezokristall
l
E
Elektrisches
Potenzial
Verstärker
Funktionsprinzip eines Biosensors
29
Kovalent gebundene Atome teilen sich die Orbitale
der Valenzelektronen
In Biosensoren benutzte Immobilisierungsmeth
oden
30
Magensäure
Pepsin
Kann noch kein Eiweiß spalten !
Pepsinogen
Kann Eiweiß spalten.
Theoretische Beispiel für die Konstruktion eines
Magensäure-Biosensors mit immobilisiertem Enzym
31
Immobilisiertes
Pepsinogen
Pepsin
Eiweißspaltung
Theoretische Beispiel für die Konstruktion eines
Magensäure-Biosensors mit immobilisiertem Enzym
32
Selektor
Transducer
Analytlösung
(Rezeptor)
Effekt
Chemische
Substanz
l
a
n
Temperatur
g
i
S

s
e
Licht
h
Nano-Formerkennung
c
s
i
r
t
k
Masse
e
l
E
Elektrisches
Potenzial
Funktionsprinzip eines Biosensors
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Mögliche technische Messaufnehmer
für einen Glukose-Biosensor
Zum Glukosesensor
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Transducer
Thermodynamik
Elektrochemie
Mechanik
Optik
Mikrogravimetrie
Photometrie
Kalorimetrie
Potenziometrie
Amperometrie
Voltammetrie
Wägung
Konduktometrie
Temperaturmessung
Lumineszenz-, Farb-Messung
Potenzialdifferenz bei Strom Null
Strom bei konstanter Spannung
Strom mit Spannungsänderung
Widerstands/ Leitfähigkeitsmessung
Zur Elektrochemie
Glukose-Sensor heute
35
U
e-
Zur Elektrochemie
e-
e-
Semipermeable Membran
A g
A g
NERNSTsche Gleichung
Ag
Ag
NO3
U Spannung R Gaskonstante T Absolute
Temperatur F Faraday-Konstante z Anzahl der
pro Ion übertragenen Elektronen c
Elektrolytkonzentration
cox Elektrolytkonzentration auf der Seite des
Oxidationsmittels
cred Elektrolytkonzentration auf der Seite des
Reduktionsmittels
Reduktion Elektronenaufnahme, Oxidation
Elektronenabgabe in der Chemie
36
Weitere Beispiele für Biosensoren
37
Foto Forschungszentrum Jülich
Der Knoblauch-Biosensor kann die wertvollen
Inhaltsstoffe des Knoblauchs in den
verschiede-nen Pflanzen aufspüren.
Biosensor für Knoblauch
38
Für einen erwachsenen Menschen ist die Aufnahme
von etwa 50 Milligramm Zyanid tödlich. Der
Biosensor spricht bereits auf den Millionstel
Teil dieser Menge an.
Foto Forschungszentrum Jülich
Das Enzym Cyanidase zerlegt das Zyanid in
Amei-sensäure und Ammoniak. Dadurch ändert sich
der pH-Wert der Lösung. Diese Veränderung wird
von einem Halbleiterchip als elektrische
Kapazitätsän-derung registriert.
Biosensor für Zyanid
39
Durch eine kleine Öffnung des Containments stehen
das Enzym und die Elektrode mit der Messlösung in
Kontakt. Ionen der Messlösung können in die
Enzymmatrix hineindiffundieren, welche bei
Anwesenheit des Analyten H2O2 erzeugt. Dieses
wird an der Platinelektrode elektrochemisch
umgesetzt.
Querschnitt durch einen Glukosesensor mit
Containment
Zum Glukosesensor
40
Integration Biosensor/Feldeffekttransistor
(BioFET)
41
Isolatoren
Halbleiter
Metalle
Selen
Kunststoffe
Silber
Eisen
Glas
Germanium
Kupfer
Glimmer
Diamant
Quarz
Silizium
-16
-12
-8
-4
0
4
8
10
10
10
10
10
10
10
1
Leitfähigkeit
W
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.
42
n-dotiert
Silizium
Bor
Phosphor
p-dotiert
Fähigkeit der Elektronenleitung
und Löcherleitung
im dotierten Halbleiter
43
n-Dotierung im Siliziumkristallgitter mit Phosphor
p-Dotierung im Siliziumkristallgitter mit
Aluminium
Ein noch besseres Schema
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Zur Menge des Dotierungsstoffs im Halbleiter
Beispiel Dotierung des Wassers in einem
Schwimmbecken
45
Mit Elektronen und Löchern verarmte Schicht
Mit Elektronen und Löchern angereicherte Schicht
Sperrschicht
Durchlass
Der Minuspol "presst" Elektronen in die
n-Schicht, der Pluspol der Stromquelle saugt
Elektronen aus der Sperrschicht ab.
Bewegung der Löcher
Bewegung der Elektronen
Bewegung der Löcher
Bewegung der Elektronen
46
MOSFET
Metal Oxide Semi Conductor Field Effect Transistor
Der MOS-FET befindet sich im Sperrzustand
(deshalb selbstsperrend genannt), wenn keine
positive Span-nung zwischen Gate- und
Source-Anschluß anliegt.
47
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. Liegt rechts die positive
Spannung an kommt es zu einer Driftbewegung der
Elektronen von links nach rechts.
48
Hier findet eine Enzymreaktion statt
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.
49
Vergleich
Na-Tore / BIOFET
Im weitesten Sinn ähneln sich Zellmembran und
Halbleiter. Statt Poren in einer Membran zu
öffnen werden Poren in einem Halbleiter
durchlässig, jeweils gesteuert durch das vom
Signalmolekül aktivierte Enzym. Statt mit Ionen
arbeitet die Elektrotechnik aber mit Elektronen!
50
Bei der klassischen Elektronenröhre verhält sich
das Steuergitter
wie die Membran einer Sinnes-zelle, deren
Durchlässigkeit enzymatisch kontrolliert wird.
51
Was zeichnet den heutigen Biosensor
aus ?
Extreme Empfindlichkeit
Extreme Empfindlichkeit
Es fehlt das Kaskadenprinzip !
Selektivität auf biologische Stoffe
52
Analyt-Detektion in der medizinischen Diagnostik
Glukose
Amperometrischer Biosensor
Harnstoff
Potentiometrischer Biosensor
Lactat
Amperometrischer Biosensor
Hepatitis B
Chemolumineszenz Immunoassay
Piezoelektrizität Immunoassay
Candida albicans
Amperometrischer Biosensor
Cholesterin
Penicillin
Potentiometrischer Biosensor
Natrium
Ionenselektive Glas-Elektrode
Kalium
Ionenselektive Austausch-Elektrode
Kalzium
Ionophore ionenselektive Elektrode
Fluoreszenz Quench-Sensor
Sauerstoff
pH-Wert
Ionenselektive Glas-Elektrode
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Enzyme für Biosensoren
Harnstoff-Biosensor
Enzym Urease
Zyanid-Biosensor
Enzym Cyanidase, zerlegt Zyanid in Ameisensäure
und Ammoniak
Formaldehyd-Biosensor
Enzym Formaldehyd-Dismutase aus dem
Bakterienstamm Pseudomonas putida J3
Anthrax-Biosensor
Enzym ???
54
Ende
www.bionik.tu-berlin.de
55
Das erste Messsystem, das als Biosensor
bezeichnet werden kann, wurde 1962 von L.C. CLARK
und C. LYONS entwickelt. Es wurde ein Messsystem
beschrieben, dass die Bestimmung von Glucose im
Blut während und nach Operationen ermöglicht.
Dieser Biosensor bestand wahlweise aus einer
Sauerstoffelektrode nach CLARK oder einer
pH-Elektrode als Transduktor, vor denen zwischen
zwei Membranen das Enzym Glucose-Oxidase
aufgebracht war. Die Glucosekonzentration konnte
als Änderung des pH-Wertes bzw. als Änderung der
Sauerstoffkonzentration infolge der Oxidation der
Glucose unter katalytischer Wirkung des Enzyms
Glucose-Oxidase bestimmt werden.
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Elektrode
Messlösung
Elektronik
Immobilisiertes Enzym
Membran
Membran
Reaktionsschritte in einem Glukose-Biosensor
Der Glukose-Biosensor wurde bereits in den 1960er
Jahren entwickelt
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Elektrode
Messlösung
Elektronik
Immobilisiertes Enzym
Membran
Membran
Reaktionsschritte in einem Glukose-Biosensor
Der Glukose-Biosensor wurde bereits in den 1960er
Jahren entwickelt