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 der Basis von Glukoseoxidase". Dieser Abschnitt bietet eine grundlegende Einführung in Biosensoren. In späteren Kapiteln werden die Grundprinzipien von Biosensoren, ihre Herstellung und ihre Verwendung zum Nachweis von Glukose näher erläutert.
Was ist ein Biosensor?
Ein Biosensor verwendet ein biologisches Erkennungselement, um ein chemisches Signal in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Dieses sehr allgemeine Konzept ist in Abbildung 1 dargestellt.
Diese Umwandlung kann auf viele verschiedene Arten erfolgen. Biologische Erkennungselemente können Enzyme oder Teile 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 setzen nur einen bestimmten Stoff oder eine bestimmte Stoffgruppe um. Das Immunsystem eines komplexen Organismus wie eines Säugetiers produziert Antikörper als Reaktion auf biologisches Material von außerhalb des Körpers. Antikörper binden sich spezifisch an dieses biologische Material. Das Wandlerelement eines Biosensors wandelt die Reaktion am Erkennungselement in ein elektrisches Signal um. Eine sehr gängige 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 Transducer.
Kommerzielle Biosensoren
Obwohl der frei diffundierende Mediator in Kombination mit dem frei diffundierenden Enzym in kleinem Maßstab funktioniert, sind sie für eine kommerzielle Version eines Biosensors nicht geeignet. Der Mediator und das Enzym werden ausgewaschen und der Sensor kann nur einmal und nur in kleinen definierten Volumina verwendet werden.
Ein besseres System ist ein immobilisiertes biologisches Erkennungselement. Falls 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 beibehält. Wenn das Protein durch die Immobilisierung seine Struktur verliert oder wenn der Weg des Substrats von der Masse zum Enzym blockiert ist, wird der Sensor nicht funktionieren. Je nach Sensorsystem muss bei der Entwicklung eines Biosensors auch die Bewegung des Mediators, der Produkte der enzymatischen Reaktionen sowie der Gegenionen berücksichtigt werden.
Siehe auch Kapitel Biosensor.