Biosensorik: Nachbildung menschlicher Sinne

30.09.2020

Eine Vielzahl an Anwendungsfeldern bieten sich für die Biosensorik z.B. in der Lebensmitteltechnik, der Gesundheitswirtschaft und der Agrarwirtschaft
Eine Vielzahl an Anwendungsfeldern bieten sich für die Biosensorik z.B. in der Lebensmitteltechnik, der Gesundheitswirtschaft und der Agrarwirtschaft


In der Biosensorik wachsen Biologie und Halbleitertechnik zusammen. Die Integration von molekularer Erkennung und Signalwandlern erweist sich bei der Analyse chemischer oder biologischer Substanzen häufig gegenüber anderen Konfigurationen überlegen. Biosensoren sind ein Schritt in eine bionische Zukunft mit einer reichen Bandbreite an Anwendungsmöglichkeiten und -szenarien. In vielen Fällen sind die Sinne des Menschen dabei ein Vorbild, indem sie das Sehen, Hören, Riechen, Schmecken und Tasten nachbilden.

In den 1960er Jahren brachten die Biochemiker Leland C. Clark und C. Lyons den ersten Biosensor auf den Markt. Es handelte sich um einen Glucose-Sensor zur dezentralen Blutzuckerbestimmung. Seitdem haben Forscher weltweit die unterschiedlichsten Ideen zu Biosensoren entwickelt. Um in der Landwirtschaft Insektizide zielgerichteter und bedarfsgerechter einzusetzen, experimentierte Ende der 1990er Jahre ein Team von Wissenschaftlern der Universität Ulm und des Forschungszentrums Jülich mit Kartoffelkäfern, die Duftstoffe angefressener Pflanzen registrierten und mit elektrischen Impulsen weiterleiteten. Andere Forscher der Universität Ulm arbeiteten an einem smarten Mini-Labor, das Blutproben bereits im Körper des Patienten analysieren kann. Eine elektronische Spürnase für den Katastropheneinsatz entwickeln Wissenschaftler der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) in Zürich, mit deren Hilfe z.B. Drohnen nach einem Erdbeben oder einem Lawinenabgang Verschüttete anhand des Geruchs aufspüren können. Wer verstehen möchte, wie Biosensoren funktionieren, dem hilft zunächst das Grundverständnis der Sensorik weiter.

Messen und regeln

Sensoren begegnen uns heute überall: Nicht nur im IoT (Internet of Things), modernen Industrieanlagen und in der Medizintechnik kommen sie zum Einsatz, sondern auch in Smartphones, Haushaltsgeräten, Rauchmeldern, im Parkassistenzsystemen u.v.m. Kurz: Ohne die technischen Bauteile, die chemische und physikalische Eigenschaften erfassen und in elektrische Signale umwandeln, wären nicht nur Arbeitsprozesse und Bearbeitungsschritte, sondern wäre auch unser tägliches Leben deutlich unkomfortabler, unpräziser und weniger sicher. Der Begriff „Sensor“ stammt vom lateinischen „sentire“ und bedeutet „fühlen“ oder „wahrnehmen“. In technischen Zusammenhängen erledigt also ein Sensor das, was für den menschlichen Organismus die Sinnesorgane Haut, Augen, Nase, Ohren und Mund darstellen. Sensoren sind keine „Stand-alone“-Lösung, sondern Bestandteile von Regelkreisen. Sie messen einen Ist-Wert und leiten diesen an eine Datenverarbeitung weiter. Weicht der ermittelte Wert vom vorgegebenen Soll-Wert ab, sorgt ein Regler für die erneute Erreichung des Solls. Aufgrund ihrer „fühlenden“ Eigenschaften kommen Sensoren häufig in der Mess- und Regeltechnik zum Einsatz und sind insbesondere im IoT ein unverzichtbarer Bestandteil.

Erkennen biologischer Moleküle oder chemischer Substanzen

Biosensoren stellen einen Teilbereich der Sensorik dar. Das Besondere: Hier werden technische und biologische Elemente miteinander kombiniert. Der Sensor oder Biorezeptor besteht aus einer aktiven biologischen Komponente. Es handelt sich hierbei um eine Membran, auf der Enzyme oder Antikörper, Apoenzyme, Nucleinsäuren, Zellen, Mikroorganismen o. ä. immobilisiert, d.h. räumlich fixiert, aufgebracht sind. Der Sensor ist mit einem Signalwandler, dem Transducer gekoppelt. Dieser besteht zumeist aus Elektroden oder Chips, die nach elektrochemischen, optischen oder piezoelektrischen Prinzipien arbeiten. Zur integrierten Biosensoreinheit gehören außerdem ein Verstärker und der Detektor.

 

Infografik Aufbau und Wirkungsweise Biosensor

Abbildung 1: Aufbau und Funktionsweise eines Biosensors


Die offizielle (und auch ein wenig kompliziertere Definition) für Biosensoren liefert die IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry, deutsch: Internationale Union für reine und angewandte Chemie):

Demnach ist ein Biosensor ein in sich geschlossenes integriertes System, das eine spezifische quantitative oder semi-quantitative analytische Information liefert, und das aus biologischem Erkennungselement (biochemischen Rezeptor) und Transducer besteht, die sich in direktem räumlichem Kontakt befinden.
(Quelle: ScienceDirect).

Biosensoren kommen in der biotechnologischen Messtechnik zum Einsatz, um biologische Moleküle oder chemische Substanzen zu erkennen. Ihr Messprínzip beruht darauf, dass bestimmte biologische Moleküle (Analyten) mit dem biologischen Sensormaterial in Wechselwirkung treten. Dadurch ändern sich die physiko-chemischen Eigenschaften (z.B. pH-Wert, Redoxpotential oder Temperatur) des Biorezeptors. Der Transducer erkennt diese Änderungen und wandelt sie in ein elektrisches Signal um, welches der Verstärker amplifiziert und damit messbar macht. Ein Detektor verarbeitet dieses Signal und zeigt den entsprechenden Messwert an (Abb. 1).

Einsatz von Biosensoren

Biosensoren sind klein, leistungsfähig und lassen sich wiederverwenden. Sie zeichnen sich durch eine erhöhte Empfindlichkeit und Spezifität der Messung bei gleichzeitiger Reduzierung der Messzeiten aus, was die Gesamtkosten maßgeblich senkt. Sie kommen ohne elektrische Kontakte aus und lassen sich daher auch in aggressiven chemischen Umgebungen einsetzen. Die vielfältigen Anwendungsgebiete der Biosensoren reichen von der Bio- über die Lebensmitteltechnologie, der Medizintechnik, der Agrarwirtschaft und der Elektrochemie bis hin zur Umweltanalytik. Dass die Biosensorik in den kommenden Jahren weiter an Bedeutung gewinnt, legt die Prognose des weltweit tätigen Marktforschungsunternehmen Frost & Sullivan nahe: Eine Umsatzsteigerung von 17,7 Milliarden auf 31,2 Milliarden EUR sagen die Experten dem Biosensoren-Markt innerhalb von fünf Jahren voraus (s. Abb. 2).

Infografik Aufbau und Wirkungsweise Biosenso

Abbildung 2: Anwendungsvielfalt und Wachstumsprognose der Biosensorik

Biosensorik nutzt biologische Vorgänge

Der im Jahr 1962 von den Biochemikern Leland C. Clark und C. Lyons entwickelte Glucose-Sensor macht sich das Wirkprinzip vieler Biosensoren zunutze und ermittelt nicht die zu analysierende Substanz selbst, sondern eines ihrer biochemischen Reaktionsprodukte. So misst der Sensor die Veränderung der Sauerstoffkonzentration einer Lösung nach Oxidation der Glucose unter katalytischer Wirkung des Enzyms Glucose-Oxidase. Die Ermittlung erfolgt entweder mit einer Sauerstoff- oder einer pH-Elektrode.

Der Corona-Test

In den vergangenen Monaten kam ein Biosensor weltweit tausendfach zum Einsatz, der inzwischen besser als PCR-Test bekannt ist. PCR steht dabei für Polymerase Chain Reaction (deutsch: Polymerase-Kettenreaktion) und beschreibt das landläufig als „Corona-Test“ bezeichnete klinische Analyseverfahren. Auch bei diesem Test wird nicht auf das SARS-CoV-2-Virus selbst, sondern vielmehr auf das virale Erbgut des Virus untersucht.

Viren sind, vereinfacht ausgedrückt, infektiöse organische Strukturen oder auch Nukleinsäuren, die ohne menschliche oder tierische Zellen, die sog. Wirtszellen, nicht überlebensfähig sind. Zwar besitzen sie ein eigenes Programm zur Vermehrung und Ausbreitung, vervielfältigen können sie sich aber nur in den entsprechenden Wirtszellen. Da sie über keinen eigenen Stoffwechsel verfügen, docken sie sich an den Metabolismus ihrer Wirte an und programmieren diesen so um, dass aus den Wirtszellen wieder neue Viren hervorgehen. Dazu findet eine Vervielfachung der Virus-Nukleinsäure statt. Anschließend werden einzelne Viruspartikel aus der Zelle ausgeschleust, die sich dann auf den Weg zur weiteren Verbreitung machen und neue Wirtszellen suchen.

Um eine Corona-Infektion nachzuweisen, nimmt man Abstriche aus dem Mund-, Nasen- und Rachenraum. Der PCR-Test untersucht auf das virale Erbgut von SARS-CoV-2. Da das genetische Material in den Abstrichen für einen Nachweis zu gering ist, wird es im Verlauf des Testverfahrens in mehreren Zyklen vervielfältigt. Mit Hilfe fluoreszierender Stoffe schließlich lässt sich feststellen, ob die gesuchten Gensequenzen vorliegen oder nicht.

In welchem Umfang in den kommenden Wochen und Monaten Corona-Tests weiterhin eingesetzt werden, um Infektionen zu entdecken und Infektionsketten zu unterbrechen, soll an dieser Stelle nicht diskutiert werden. Fest steht aber, dass Biosensoren in allen der beschriebenen Anwendungsfelder zukünftig weiter an Bedeutung gewinnen werden. Vom 29. bis 30. September 2020 tauschten sich dazu Experten beim World Congress on Biosensors and Bioelectronics aus, der Corona-bedingt in diesem Jahr online stattfand.

__

Bildquelle Titelbild dieses Beitrags: Adobe Stock

Ähnliche Beiträge

Kurz erklärt: DCA

27.04.2021

weiterlesen

Kleinster denkbarer Magnetometer: der Quantensensor

23.03.2021

weiterlesen

Was Quantenphysik und Würfel gemeinsam haben

10.03.2021

weiterlesen

Blogtronic Abonnement

Was ist die Summe aus 3 und 9?

Aktuell bleiben, blogtronic-Newsletter abonnieren.