Was sind Biosensoren?

Der Begriff „Biosensor“ ist die Abkürzung für „biologischer Sensor“. Das Gerät besteht aus einem Messwandler und einem biologischen Element, bei dem es sich um ein Enzym, einen Antikörper oder eine Nukleinsäure handeln kann. Das Bioelement interagiert mit dem zu testenden Analyten, und die biologische Reaktion wird durch den Wandler in ein elektrisches Signal umgewandelt. Je nach Anwendungsbereich werden Biosensoren auch als Immunosensoren, Optroden, Resonanzspiegel, chemische Kanarienvögel, Biochips, Glucometer und Biocomputer bezeichnet. Eine häufig zitierte Definition eines Biosensors lautet:

„Ein chemischer Sensor, bei dem eine biologisch abgeleitete Erkennung an einen Wandler gekoppelt ist, um die quantitative Entwicklung eines komplexen biochemischen Parameters zu ermöglichen.“

Bestandteile eines Biosensors

Jeder Biosensor besteht aus:

• einer biologischen Komponente, die als Sensor fungiert
• einer elektronischen Komponente, die das Signal erkennt und weiterleitet

Biosensorelemente

Eine Vielzahl von Substanzen kann als Bioelement in einem Biosensor verwendet werden. Beispiele hierfür sind:

• Nukleinsäuren
• Proteine einschließlich Enzyme und Antikörper. Biosensoren auf Antikörperbasis werden auch als Immunsensoren bezeichnet.
• Pflanzenproteine oder Lektine
• Komplexe Materialien wie Gewebeschnitte, Mikroorganismen und Organellen

Das Signal, das bei der Wechselwirkung des Sensors mit dem Analyten entsteht, kann elektrisch, optisch oder thermisch sein. Es wird dann mittels eines geeigneten Wandlers in einen messbaren elektrischen Parameter – in der Regel einen Strom oder eine Spannung – umgewandelt.

Anwendungen

Biosensorsonden werden immer ausgefeilter, vor allem dank einer Kombination von Fortschritten in zwei Technologiebereichen: Mikroelektronik und Biotechnologie. Biosensoren sind äußerst wertvolle Geräte zur Messung eines breiten Spektrums von Analyten, einschließlich organischer Verbindungen, Gase, Ionen und Bakterien.

Geschichte der Biosensoren

Das erste Experiment, das den Ursprung der Biosensoren markiert, wurde von Leland C. Clark durchgeführt. Für sein Experiment verwendete Clark Platinelektroden (Pt) zum Nachweis von Sauerstoff. Er platzierte das Enzym Glucoseoxidase (GOD) sehr nahe an der Platinoberfläche, indem er es mit einem Stück Dialysemembran gegen die Elektroden drückte. Die Enzymaktivität veränderte sich in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration in der Umgebung. Glukose reagiert mit Glukoseoxidase (GOD) zu Gluconsäure und erzeugt zwei Elektronen und zwei Protonen, wodurch GOD reduziert wird. Die reduzierte GOD, die Elektronen, Protonen und der umgebende Sauerstoff reagieren alle zu Wasserstoffperoxid und oxidierter GOD (der ursprünglichen Form), wodurch mehr GOD zur Verfügung steht, mit dem mehr Glukose reagieren kann. Je höher der Glukosegehalt ist, desto mehr Sauerstoff wird verbraucht, und je niedriger der Glukosegehalt ist, desto mehr Wasserstoffperoxid wird gebildet. Das bedeutet, dass entweder eine Zunahme des Wasserstoffperoxids oder eine Abnahme des Sauerstoffs gemessen werden kann, um einen Hinweis auf die Glukosekonzentration zu geben.

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