Bio- und Chemosensoren

  • Abb. 1: Schematische Darstellung von Bio- und Chemosensoren: (a) Chemosensor mit Transducer und Rezeptor als dotiertem Halbleiter oder funktionalisiertem Polymerfilm, (b) Biosensor mit zusätzlicher Schutzschicht gegen unspezifische Wechselwirkungen und speziellen Erkennungsstrukturen für möglichst selektive Wechselwirkungen.Abb. 1: Schematische Darstellung von Bio- und Chemosensoren: (a) Chemosensor mit Transducer und Rezeptor als dotiertem Halbleiter oder funktionalisiertem Polymerfilm, (b) Biosensor mit zusätzlicher Schutzschicht gegen unspezifische Wechselwirkungen und speziellen Erkennungsstrukturen für möglichst selektive Wechselwirkungen.
  • Abb. 1: Schematische Darstellung von Bio- und Chemosensoren: (a) Chemosensor mit Transducer und Rezeptor als dotiertem Halbleiter oder funktionalisiertem Polymerfilm, (b) Biosensor mit zusätzlicher Schutzschicht gegen unspezifische Wechselwirkungen und speziellen Erkennungsstrukturen für möglichst selektive Wechselwirkungen.
  • Abb. 2: Darstellung der zeitaufgelösten Detektion verschiedener Alkohole über Oberflächen- Plasmonen-Resonanz (SPR) nach [3].
  • Abb. 3: Darstellung der Kalibrierung (dreifach-Messung) für den Nachweis von Salmonellen-Antikörpern im Serum von Tieren nach [10]. MDC (minimum detectable concentration) und RDL (reliable detection limit) werden häufig neben den Begriffen Nachweisgrenze verwendet.

Bio- und Chemosensoren ergänzen klassische analytische Methoden durch Möglichkeiten einer kontinuierlichen Kontrolle, geringen Personalaufwand, schnell erhältliche Informationen und eines nicht ortsgebundenen Einsatzes. Die Qualität hängt ab vom Detektionsprinzip, der Analyterkennung und der Datenauswertung. Wachsende Einsatzgebiete sind die Prozesskontrolle, Umweltanalytik und Point-of-Care-Diagnostik.

Im Gegensatz zu physikalischen Sensoren (z. B. Thermometer oder Photodioden bei Lichtschranken) haben Bio- und Chemosensoren zusätzlich zum Messwertaufnehmer (Transducer) noch einen Rezeptor, der für die Qualität des Sensors hinsichtlich Selektivität, reversiblem Verhalten des Rezeptors, Ansprechgeschwindigkeit und erzielbarer Nachweisgrenze bestimmend ist. Diese Rezeptorschichten sind bei Chemosensoren meist dotierte Halbleiterschichten oder Polymerschichten mit funktionellen Gruppen, die über Polarität oder chemische Eigenschaften der Endgruppen des Polymers eine gewisse Selektivität erzeugen. Diese kann durch den Einsatz von supramolekularen Molekülen oder neuerdings durch molekulargeprägte Polymere erhöht werden. Wesentlich niedrigere Nachweisgrenzen und außerordentlich hohe Selektivität können bei Biosensoren durch den Einsatz spezieller Rezeptoren als Erkennungselemente wie beispielsweise Antikörper, Scaffolds, Aptamere, DNA oder sogar Membranstrukturen erreicht werden. Dieser prinzipielle Aufbau ist in Abbildung 1 dargestellt, wobei die Transducer elektrochemisch, mechanisch oder optisch Wechselwirkungen zwischen Rezeptorschicht und Analytmolekül in Messwerte umwandeln.
Insbesondere bei der direkten optischen Detektion ohne Marker (z. B. Fluorophore) kommt zwischen Erkennungselement und Transducer üblicherweise noch eine Schutzschicht hinzu, die einerseits unspezifische Wechselwirkungen unterdrücken soll und andererseits Möglichkeiten eröffnet, gute Erkennungsstrukturen mit hoher Ortsdichte zu immobilisieren. Während Chemosensoren relativ stabil und gegen Umwelteinflüsse inert sind, kurze Ansprechzeiten aufweisen und reversibel arbeiten, gilt dies für Biosensoren weniger. Deren hohe Selektivität bedeutet thermodynamisch kaum Reversibilität, bietet dafür aber außerordentlich niedrige Nachweisgrenzen, die von Chemosensoren nicht erreicht werden.

Geringe Selektivität bei Chemosensoren kann durch Einsatz von Sensorarrays mit Elementen verschiedener Selektivität und chemometrischer Auswertung kompensiert werden. Es gibt zahlreiche Übersichtsartikel und Bücher zu den Prinzipien von Bio- und Chemosensoren (z. B. [1]), für eine Übersicht über optische Sensoren sei auch [2] erwähnt.

 
Anwendungen von Chemosensoren
Neben Halbleitersensoren zum Nachweis von Schadstoffen in der Umwelt (CO, NOX) zur Raumüberwachung (CO2, Rauch) oder undichte Stellen bei Gasleitungen (Propan, Butan) werden Chemosensoren auch in der Prozessanalytik eingesetzt. Durch kontinuierliche Messung (zeitaufgelöst) kann über unterschiedliches Ansprechverhalten sogar zwischen einzelnen Alkoholen unterschieden werden. Ein Beispiel stellt die optische Detektion in Abbildung 2 dar. Sie zeigt den Unterschied der Messkurven für Methanol, Ethanol, 1-Propanol und 1-Butanol, aufgetragen gegen die Zeit und Konzentration.
Ein Sensorarray mit Sensorelementen aus Polymeren mit unterschiedlich funktionalisierten Endgruppen erlaubt sogar die Messung von Gemischen. Kalibrierkurven mit unterschiedlichen Steigungen in teilweise linearen Bereichen ermöglichen eine Quantifizierung, es sollte aber auch hier auf eine in der Analytik übliche Random Calibration geachtet werden.
Da es eine sehr große Anzahl von Transduktionsprinzipien gibt, sollen hier nur Beispiele bei Einsatz von optischen Detektionsprinzipien gewählt werden. [4] kann nur ein Versuch darstellen, die zahlreichen Detektionsprinzipien in einer Übersicht vorzustellen und auch einige charakteristische Anwendungen aufzuzeigen.
 
Anwendungen von Biosensoren
Bei Biosensoren kann man auch zwischen verschiedenen Testformaten unterscheiden, ob mit der Erkennungsstruktur der Analyt direkt nachgewiesen werden kann, ob der Analyt mit einem markierten Reagens kompetitiv arbeitet oder ein Sandwich oder gar ein Bindungshemmtest eingesetzt werden muss. Einzelheiten hierzu findet man in [5]. Bei diesen Messungen kann man nicht nur zwischen spezifischer Bindung und unspezifischer Nichtbindung unterscheiden und den Bindungsvorgang quantifizieren, sondern auch über die Kinetik Assoziations- und Dissoziationsratenkonstanten zusätzlich zu der aus der Thermodynamik ermittelten Gleichgewichtskonstante erhalten [6]. Hierzu werden häufig optische Detektionsmethoden eingesetzt [7].
Beispiele sind der Nachweis von Pestiziden und hormonaktiven Stoffen in Wasser bis in den Bereich von wenigen Nanogramm pro Liter [8]. Um diese niedrigen Nachweisgrenzen zu erreichen, wurden fluoreszenzmarkierte Antikörper eingesetzt und die totale interne Reflexionsfluoreszenz als Methode gewählt. Ein auf Wellenleiterstrukturen basiertes kleines Array erlaubt auch den parallelen Nachweis von sechs verschiedenen Pestiziden. Mit Reflektometrie können Schmerzmitteln nachgewiesen werden, die auch in der Milch zu finden sind [9]. Mit der direkten optischen Detektion konnten auch z. B. Salmonellen nachwiesen werden [10]. In Abb. 3 ist als Beispiel eine typische Auswertung mit dem sigmoiden Zusammenhang zwischen Konzentration und Signal in einer halblogarithmischen Darstellung wiedergegeben. Auf der abgeschirmten Oberfläche eines Glastransducers (mit Lichtleiter) werden Lipopolysacharide als Erkennungsstrukturen für die Antikörper auf Salmonellen immobilisiert.
Interessant wird der Einsatz in der patientennahen Diagnostik, wie sie typisch ist für das Point-of-Care-Testing [11]. Als Fortführung des klassischen Lateral-Flow-Assays werden die Nitrozellulosestreifen mit einer Web-Cam oder eines Smartphones als Detektion kombiniert [12]. Als Beispiel dient der Nachweis von C-reaktivem Protein, Salmonellen und Psychopharmaka [13], sodass ohne großen apparativen Aufwand Messungen im Bereich des Anywhere-Care, in der klinischen Schnelldiagnostik sowie in der Umweltanalytik im Hinblick auf Citizen Science [14] möglich werden.
Sensoren haben in der Überwachung, der Prozessanalytik, der klinischen Diagnostik und der Umweltanalytik (um nur einige Beispiele zu nennen) in Ergänzung zu den klassischen, messtechnisch aufwendigeren Verfahren große Bedeutung erlangt. Beide Ansätze ergänzen sich hervorragend und können ihre Leistungsfähigkeit je nach Aufgabenstellung am besten entwickeln.

 

Autor
Günter Gauglitz
 

Kontakt   
Prof. Dr. Günter Gauglitz

Institut für Physikalische und Theoretische Chemie
Eberhard Karls Universität Tübingen
Tübingen, Deutschland
guenter.gauglitz@uni-tuebingen.de

 

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Literatur
[1]       Nicole Barsan, Alexandru Oprea, Edwin Ostertag, Günther Proll, Karsten Rebner, Klaus Schierbaum, Frank Schleifenbaum, Udo Weimar: Chemical and Biochemical Sensors – 1. Fundamentals, Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry (2016)

[2]       Günter Gauglitz: Direct optical detection in bioanalysis: an update, Analytical and Bioanalytical Chemistry, 398(6), 2363 (2010)

[3]       Maura Kasper, Stefan Busche, Frank Dieterle, Georg Belge, Guenter Gauglitz: Quantification of quaternary mixtures of alcohols: a comparison of reflectometric interference spectroscopy and surface plasmon resonance spectroscopy, Measuement Science and Technology, 15(3), 540 (2004)

[4]       Nicole Barsan, Alexandru Oprea, Edwin Ostertag, Günther Proll, Karsten Rebner, Klaus Schierbaum, Frank Schleifenbaum, Udo Weimar: Chemical and Biochemical Sensors – 2. Applications, Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry (2016)

[5]       On-Site Analysis, Günter Gauglitz, Günther Proll in “Handbook of Biophotonics”, Jürgen Popp, Valery V. Tuchin, Arthur Chiou, Stefan H. Heinemann (Hrsg.), WILEY-VCH 2012, Vol. 3 (141-172)

[6]       Immunoassays, Günther Proll, Markus Ehni, in “Handbook of Spectroscopy”, Günter Gauglitz, David S. Moore (Hrsg.), WILEY-VCH, Vol. 3, 2nd Edition 1313-1334)

[7]       Direct Optical Detection in Bioanalytics, Günter Gauglitz, Nicholas J. Goddard, in “Handbook of Spectroscopy”, Günter Gauglitz, David S. Moore (Hrsg.), WILEY-VCH 2014, Vol. 3, 2nd Edition (1115-1158)

[8]       Jens Tschmelak, Günther Proll, Günter Gauglitz: Optical biosensor for pharmaceuticals, antibiotics, hormones, endocrine disrupting chemicals and pesticides in water: Assay optimisation process for estrone as example, Talanta 65(2), 313 (2005)

[9]       Sabrina Rau, Urs Hilbig, Günter Gauglitz: Label-free optical biosensor for detection and quantification of the non-steroidal anti-inflammatory drug diclofenac in milk without any sample pretreatment, Analytical Bioanalytical Chemistry, 406(14), 3377 (2014)

[10]     Melanie Ewald, Alexander Le Blanc, Günter Gauglitz, Günther Proll: A robust sensor platform for label-free detection of anti-Salmonella antibodies using undiluted animal sera, Analytical and Bioanalytical Chemistry, 405(20), 6461 (2013)

[11]     Peter B. Luppa, Ralf Junker (Hrsg.), Point-of-care testing: Principles and Clinical Applications, Springer (2018)

[12]     Günter Gauglitz: Spotlight on paper-based strips analytics, Analytical and Bioanalytical Chemistry, 410(1), 1 (2018) DOI 10.1007/s00216-017-0707-x

[13]     F. Schenk, Patricia Weber, J. Vogler, L. Hecht, Andreas Dietzel, Günter Gauglitz: Development of a paper-based lateral flow immunoassay for simultaneous detection of lipopolysaccharides of Salmonella serovars, Analytical Bioanalytical Chemistry, 410(3), 863 (2018) DOI 10.1007/s00216-017-0643-9

[14]     https://www.buergerschaffenwissen.de/citizen-science/buergerforschung-bmbf [zuletzt aufgerufen am: 19.07.19]

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