Nachweis von Glukose mit einem selbstgebauten Biosensor 2/5 - Was ist ein Biosensor?
Dieses Kapitel ist Teil der Reihe „Nachweis von Glukose mit einem selbstgebauten Biosensor auf Basis von Glukoseoxidase“. Dieser Abschnitt bietet eine grundlegende Einführung in das Thema Biosensoren. In den folgenden Kapiteln werden die Grundprinzipien von Biosensoren, ihre Herstellung und ihre Anwendung zum Nachweis von Glukose näher erläutert.
Was ist ein Biosensor?
Ein Biosensor nutzt ein biologisches Erkennungselement, um ein chemisches Signal in ein elektrisches umzuwandeln. Dieses sehr allgemeine Konzept wird in Abbildung 1 veranschaulicht.
Diese Umwandlung kann auf viele verschiedene Arten erfolgen. Biologische Erkennungselemente können Enzyme oder Bestandteile des Immunsystems sein. Ein Enzym ist ein biologischer Katalysator. Es beschleunigt Reaktionen oder ermöglicht sie unter bestimmten Bedingungen; außerdem sind Enzyme sehr selektiv für bestimmte Reaktionen und wandeln nur eine bestimmte Substanz oder Gruppe von Substanzen um. Das Immunsystem eines komplexen Organismus wie eines Säugetiers produziert Antikörper als Reaktion auf biologisches Material von außerhalb des Körpers. Antikörper binden spezifisch an dieses biologische Material. Das Wandlerelement eines Biosensors wandelt die Reaktion am Erkennungselement in ein elektrisches Signal um. Eine sehr verbreitete Methode ist die Verwendung einer Elektrode als Wandler. Ein frei diffundierender Redox-Mediator ist in der Lage, Elektronen von einem Redox-Enzym zur Elektrode zu transportieren und bildet so zusammen mit der Elektrode den Wandler.
Kommerzielle Biosensoren
Zwar funktionieren der frei diffundierende Mediator in Kombination mit dem frei diffundierenden Enzym im kleinen Maßstab, doch sind sie für eine kommerzialisierte Version eines Biosensors nicht geeignet. Der Mediator und das Enzym werden ausgewaschen, sodass der Sensor nur einmal und nur in kleinen, definierten Volumina verwendet werden kann.
Ein besseres System ist ein immobilisiertes biologisches Erkennungselement. Wenn ein Mediator erforderlich ist, sollte dieser ebenfalls immobilisiert werden. Die Immobilisierung eines biologischen Erkennungselements muss so erfolgen, dass das Enzym, der Antikörper usw. seine Aktivität behält. Verliert das Protein durch die Immobilisierung seine Struktur oder wird der Weg des Substrats vom Volumen zum Enzym blockiert, funktioniert der Sensor nicht. Je nach Messsystem müssen bei der Konstruktion eines Biosensors auch die Bewegung des Mediators, die Produkte der enzymatischen Reaktionen sowie die Gegenionen berücksichtigt werden.
Siehe auch Kapitel Biosensor.