Biosensoren
Analytische Chemie, Kapitel 10
Analytische Chemie, Kapitel 10
Sie können typische Eigenschaften, Vor- und Nachteile von Biosensoren erklären
Vorteil
- Spezifität
Nachteil
- Lebensdauer Enzyme
- Mangelnde Langzeitstabilität
- Sterilisierbarkeit
- Kosten
Sie verstehen, welche analytselektiven Komponenten bei Biosensoren in die Erkennungsschicht eingebaut werden können
Biologische Komponenten: Enzyme, Antikörper, Rezeptoren
Sie können wesentliche Möglichkeiten der Signaltransduktion von Biosensoren nennen
Amperometrisch
Potentiometrisch
Optische Transduktion
Sie kennen das Funktionsprinzip eines enzymatisch-amperometrischen Biosensors
Glucose wird oxidiert durch Glucoseoxidase, dabei entstandene H2O2 (Wasserstoffperoxid) wird elektrochemisch bestimmt.
Sie können erklären, wie Glucose mit Teststreifen gemessen werden können?
Was stört die Reaktion?
Glucose wird katalytisch durch Enzym Glucoseoxidase zu Gluconsäure oxidiert, dass dabei gebildete H2O2 reagiert mit Farbstoff.H2O2 wird durch das Enzym Peroxidase reduziert, wobei ein Chromogen (Vorstufe eines Farbstoffs, die erst nach Umwandlungsreaktion zum Farbstoff wird) oxidiert wird. Die dabei entstehende grüne Farbe kann photometrisch bestimmt oder von Auge abgelesen werden.
Ein Reduktionsmittel (wie z.B. Ascorbinsäure) kann die Reaktion stören, indem es Wasserstoffperoxid reduziert. Die Peroxidase kann dann entsprechend weniger H2O2 umsetzen; die Folge sind zu tiefe gemessene Glucose-Konzentrationen.
Sie können mögliche Interferenzen von Glucose-Biosensoren erklären
Für die Oxidation des H2O2 muss aufgrund des Standardreduktionspotentials bei einem vergleichsweise hohen Potential gearbeitet werden. Daher ist mit relativ grossen interferierenden Strömen von Störsubstanzen zu rechnen, die bei dem angelegten Potential ebenfalls oxidiert werden (z.B. Ascorbinsäure). Diese interferierenden Stoffe können zwar durch den Einbau von zusätzlichen Membranen teilweise abgefangen werden
Deshalb werden bei Biosensoren der zweiten Generation die auf das Enzym übertragenen Elektronen direkt über ein als Mediator bezeichnetes Molekül auf die Elektrode übertragen. Mediatoren sind redox-aktive Verbindungen wie Tetrathiafulvalen (TTF) oder Tetracyanoquinodimethan (TCNQ), die den elektrischen Kontakt zwischen Enzym und Elektrodenoberfläche herstellen. Bei Verwendung von geeigneten Mediatormolekülen kann das Elektrodenpotential für amperometrische Biosensoren markant gesenkt werden. Damit ist es möglich, einige der erwähnten Interferenzen zu minimieren.
Sie kennen die grundlegenden Prinzipien beim Aufbau Biosensoren
Wie funktionieren biokatalytische Sensoren?
Diese Biosensoren verwenden Enzyme, die als selektive Katalysatoren an Oberflächen immobilisiert sind. Das Enzym katalysiert eine Reaktion, deren Geschwindigkeit als Mass für die Konzentration des Substrats dienen kann. Enzymatische Biosensoren sind also in der Lage, jene Analyten selektiv zu bestimmen, die als Substrate in enzymatischen Reaktionen umgesetzt werden. Man kann die Reaktionsgeschwindigkeit des enzymatischen Umsatzes als Elektrolysestrom messen; die entsprechenden Sensoren arbeiten dann mit amperometrischer Transduktion.
Wie funktionieren Bioaffinitäts-Sensoren?
Diese Biosensoren nutzen die starken Wechselwirkungen zwischen Probemolekülen und biologischen Komponenten, die an der Sensoroberfläche immobilisiert sind. Dabei bildet sich ein Komplex, der an der Oberfläche fixiert bleibt. Das Ausmass dieser Komplexbildung kann wiederum mit der Analytkonzentration korreliert werden. Durch die Bildung des Komplexes ändern sich viele Eigenschaften der Sensoroberfläche (z.B. Brechungsindex, Fluoreszenzemission oder Masse), welche entsprechend vielfältige Transduktionsprinzipien ermöglichen.
Beispiele für Bioaffinitätssensoren sind Immunosensoren, welche AntikörperAntigen-Reaktionen nutzen oder optische DNA-Microarrays.
Welche Anforderungen muss ein Biosensor erfüllen, damit er erfolgreich eingesetzt werden kann?
- Hohe Spezifität gegenüber dem Analyten
- Hohe Stabilität im Einsatz und während der Lagerung
- Unabhängigkeit der Reaktion von physikalischen Parametern wie pH-Wert, Temperatur oder Rühren
- Ansprechverhalten mit hoher Empfindlichkeit, Genauigkeit und Reproduzierbarkeit, mit Vorteil lineare Kennlinie
- Keine Probenvorbehandlung (Verdünnung, Filtration, Aufkonzentrieren)
- Hohe Reversibilität, d.h. sowohl aufsteigende als auch abnehmende Konzentrationen werden erfasst
- Preisgünstig, klein und einfach in der Bedienung
- Nicht anfällig auf Fouling oder Proteolyse
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Flashcards
Sie können typische Eigenschaften, Vor- und Nachteile von Biosensoren erklären
Vorteil
- Spezifität
Nachteil
- Lebensdauer Enzyme
- Mangelnde Langzeitstabilität
- Sterilisierbarkeit
- Kosten
Sie verstehen, welche analytselektiven Komponenten bei Biosensoren in die Erkennungsschicht eingebaut werden können
Biologische Komponenten: Enzyme, Antikörper, Rezeptoren
Sie können wesentliche Möglichkeiten der Signaltransduktion von Biosensoren nennen
Amperometrisch
Potentiometrisch
Optische Transduktion
Sie kennen das Funktionsprinzip eines enzymatisch-amperometrischen Biosensors
Glucose wird oxidiert durch Glucoseoxidase, dabei entstandene H2O2 (Wasserstoffperoxid) wird elektrochemisch bestimmt.
Sie können erklären, wie Glucose mit Teststreifen gemessen werden können?
Was stört die Reaktion?
Glucose wird katalytisch durch Enzym Glucoseoxidase zu Gluconsäure oxidiert, dass dabei gebildete H2O2 reagiert mit Farbstoff.H2O2 wird durch das Enzym Peroxidase reduziert, wobei ein Chromogen (Vorstufe eines Farbstoffs, die erst nach Umwandlungsreaktion zum Farbstoff wird) oxidiert wird. Die dabei entstehende grüne Farbe kann photometrisch bestimmt oder von Auge abgelesen werden.
Ein Reduktionsmittel (wie z.B. Ascorbinsäure) kann die Reaktion stören, indem es Wasserstoffperoxid reduziert. Die Peroxidase kann dann entsprechend weniger H2O2 umsetzen; die Folge sind zu tiefe gemessene Glucose-Konzentrationen.
Sie können mögliche Interferenzen von Glucose-Biosensoren erklären
Für die Oxidation des H2O2 muss aufgrund des Standardreduktionspotentials bei einem vergleichsweise hohen Potential gearbeitet werden. Daher ist mit relativ grossen interferierenden Strömen von Störsubstanzen zu rechnen, die bei dem angelegten Potential ebenfalls oxidiert werden (z.B. Ascorbinsäure). Diese interferierenden Stoffe können zwar durch den Einbau von zusätzlichen Membranen teilweise abgefangen werden
Deshalb werden bei Biosensoren der zweiten Generation die auf das Enzym übertragenen Elektronen direkt über ein als Mediator bezeichnetes Molekül auf die Elektrode übertragen. Mediatoren sind redox-aktive Verbindungen wie Tetrathiafulvalen (TTF) oder Tetracyanoquinodimethan (TCNQ), die den elektrischen Kontakt zwischen Enzym und Elektrodenoberfläche herstellen. Bei Verwendung von geeigneten Mediatormolekülen kann das Elektrodenpotential für amperometrische Biosensoren markant gesenkt werden. Damit ist es möglich, einige der erwähnten Interferenzen zu minimieren.
Sie kennen die grundlegenden Prinzipien beim Aufbau Biosensoren
Wie funktionieren biokatalytische Sensoren?
Diese Biosensoren verwenden Enzyme, die als selektive Katalysatoren an Oberflächen immobilisiert sind. Das Enzym katalysiert eine Reaktion, deren Geschwindigkeit als Mass für die Konzentration des Substrats dienen kann. Enzymatische Biosensoren sind also in der Lage, jene Analyten selektiv zu bestimmen, die als Substrate in enzymatischen Reaktionen umgesetzt werden. Man kann die Reaktionsgeschwindigkeit des enzymatischen Umsatzes als Elektrolysestrom messen; die entsprechenden Sensoren arbeiten dann mit amperometrischer Transduktion.
Wie funktionieren Bioaffinitäts-Sensoren?
Diese Biosensoren nutzen die starken Wechselwirkungen zwischen Probemolekülen und biologischen Komponenten, die an der Sensoroberfläche immobilisiert sind. Dabei bildet sich ein Komplex, der an der Oberfläche fixiert bleibt. Das Ausmass dieser Komplexbildung kann wiederum mit der Analytkonzentration korreliert werden. Durch die Bildung des Komplexes ändern sich viele Eigenschaften der Sensoroberfläche (z.B. Brechungsindex, Fluoreszenzemission oder Masse), welche entsprechend vielfältige Transduktionsprinzipien ermöglichen.
Beispiele für Bioaffinitätssensoren sind Immunosensoren, welche AntikörperAntigen-Reaktionen nutzen oder optische DNA-Microarrays.
Welche Anforderungen muss ein Biosensor erfüllen, damit er erfolgreich eingesetzt werden kann?
- Hohe Spezifität gegenüber dem Analyten
- Hohe Stabilität im Einsatz und während der Lagerung
- Unabhängigkeit der Reaktion von physikalischen Parametern wie pH-Wert, Temperatur oder Rühren
- Ansprechverhalten mit hoher Empfindlichkeit, Genauigkeit und Reproduzierbarkeit, mit Vorteil lineare Kennlinie
- Keine Probenvorbehandlung (Verdünnung, Filtration, Aufkonzentrieren)
- Hohe Reversibilität, d.h. sowohl aufsteigende als auch abnehmende Konzentrationen werden erfasst
- Preisgünstig, klein und einfach in der Bedienung
- Nicht anfällig auf Fouling oder Proteolyse
