Biosensoren. [Quelle: Landesmarketing Sachsen-Anhalt GmbH] Seminar Sensoren Patric Breitenbach

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1 [Quelle: Landesmarketing Sachsen-Anhalt GmbH]

2 Gliederung Definition Biosensor Strukturaufbau Funktionprinzip Klassifizierung der Biosensoren Anwendungbeispiele

3 Definition Biosensor: biologische Komponente (z.b. ein Enzym, ein Antikörper) + Signalwandler (z.b. einer Elektrode, einer optischen Quelle: Erster Biosensor wurde 1962 zur Bestimmung von Glucose im menschlichen Blut eingesetzt.

4 Strukturaufbau: Transducer: Quelle: Signalumwandler durch Piezokristalle, Thermistoren, FETs, Elektroden oder optische Systemerealisierbar Rezeptor: biologische Komponente, z.b.: Antikörper, Enzyme, Nukleinsäuren, Mikroorganismen oder Zellen Aufnahme (Detektion) des zu analysierenden Stoffes

5 Funktionsprinzip: Messlösung (Analyt) besteht:: - Viren - Zellen - organische Moleküle - anorganische Moleküle - Antigene - Bakterien - DNA Rezeptor-Bindungsprinzipien: Bindung an Zellmembran Schlüssel-Schloss-Prinzip Antikörper-Antigen-Bindung Rezeptor: -Enzym Glucoseoxidase -Enzym Urease -Antikörper -Rezeptor Quelle: ww.fz-juelich.de Bild:

6 Funktionsprinzip: Bindung des Soffes aus Messlösung mit Rezeptor Bindungsreaktionen messbare ph-werte, Masse- oder Temperaturänderungen Änderung optischer Eigenschaften Änderung elektrochemischer Größen (Potential, Leitfähigkeit) Transducer: Erfassung der Veränderungen elektrisches Signal Quelle: ww.fz-juelich.de

7 Klassifizierung: nach Funktionsprinzip des Transducers

8 Klassifizierung: Kalorimetrie (Thermistor) chemische Reaktionen Wärmefreisetzung Temperaturerhöhung: Maß für Stoffmenge der Reaktionspartner Erfassung Temperaturänderung durch Halbleiter- Thermistor Quelle:

9 Klassifizierung: Gravimetrische Detektion (Piezokristalle) Die Schwingungsfrequenz eines Quarzes ist umgekehrt proportional zur Wurzel seiner Masse. Enzym oder antikörperbeschichteter Quarzkristall Mikrowaage Anregung des Quarzes Resonanzschwingung Nach Bindung am Rezeptor Dämpfung der Schwingung Quarz nach einmaliger Verwendung nicht wiederverwendbar Nachweis von Umweltgiften

10 Klassifizierung: Optische Detektion Lichtwellenleiter mit Indikator (Enzym) Indikator verändert durch Bindung mit Analyt Luminiszensoder Absorptionseigenschaften Bestimmung des O2-Gehaltes in Flüssigkeiten Quelle:

11 Klassifizierung: Elektrochemische Detektion (amperometrisches Prinzip) Enzym auf Elektrodenoberfläche immobilisiert Reaktion mit passenden Analyt: Veränderung des Stromflusses Stromfluss = Maß für Stoffmenge (Enzym) Quelle:

12 Klassifizierung: Elektrochemische Detektion (potentiometrisches Prinzip) biologischen Komponenten direkt auf einen Silicium-Halbleiterchip aufgebracht ph-wertes als Meßgröße Feldeffekttransistoren (MOSFET) H+ Ansteuerspannung GATE- Anschluß (Tor) des Transistors Stromfluß zwischen Source (Quelle) und Drain (Senke) nimmt mit steigender H+-Konzentration Protonenkonzentration proportionales Signal Quelle:

13 Anwendungsgebiete:

14 Anwendungsbeispiele: Medizin: Zur Bestimmung von Stoffwechselprodukten wie Blutzucker, Cholesterin oder Harnstoff Drogentest Weitere Anwendungsbereiche in Forschung Vorteile: - Erfassung von Schwankungen - Monitoring analytischer Messgrößen - Einfache Diagnostik - Patienten-Selbstkontrolle

15 Anwendungsbeispiele: Umweltanalytik Nachweis toxischer Verbindungen im Trinkwasser z.b. Pestizide (Empfindlichkeiten von bis zu 0,1 g l-1) Überwachung idustrieller Abwässer militärische Anwendung: Detektion diverser Nervengifte Aufspüren biologischer und/oder chemischer Waffen

16 Anwendungsbeispiele: Lebensmittelindustrie Qualitätskontrolle: Rohstoffe und Endprodukte Detektion komplexer Parameter: z.b. Frische, Aroma, Duft Objektiven Bewertung der Frische von Produkten

17 Anwendungsbeispiele: Verfahrenstechnik (Pharmazie) Anwendung im on-line Bereich sehr begrenzt: - geringe Lebensdauer bzw. Langzeitstabilität - Kontaminationen auf Sensoren Anwendung meist im lokalen off-line Bereich Überwachung von Kohlenstoffquellen, gelösten Gasen und Nachweis von Produkten in Bioreaktoren

18 Anwendungsbeispiele: Funktionsprinzip Dräger Alcotest 7110 Evidential doppelte Auslegung aller Messsysteme. Atemalkoholkonzentration elektrochemischen Sensor infrarot-optischen Sensor Durchfluss- und Atemtemperatursensoren doppelt vorhanden Quelle:

19 Ausblick: Robo Käfer [Hochschule Magdeburg-Stendal (FH)]: Entwicklung der Lösch-Käfer OLE (Offroad Löscheinheit) Infrarotsensoren Biosensoren Entdeckung und sofortige Bekämpfung der Brandherde Quelle: html 30 Robo-Käfer um Gebiet des Schwarzwaldes zu schützen. Produktionskosten Robo-Käfer: und Euro.

20 Diskussion

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