imported>Ghilt: /* Arten von Biosensoren */ unterteilt

2025-08-21T11:47:11Z

Arten von Biosensoren: unterteilt

Neue Seite

Ein '''Biosensor''' ist ein analytisches Gerät, das zur Detektion einer chemischen Substanz verwendet wird und eine biologische Komponente mit einem physikalisch-chemischen [[Detektor]] kombiniert. Die zu bestimmende biologische Substanz kann sowohl außerhalb des Körpers ([[in vitro]]) wie auch im Körper ([[in vivo]]) gemessen werden, also als tragbarer Biosensor eingesetzt werden. In den letzten Jahren werden Biosensoren auch dazu genutzt, biologische Signale wie Herzfrequenz (EKG), Atemgaszusammensetzung oder Nervensignale zu messen. Manche können mit Algorithmen oder mit [[Künstliche Intelligenz|Künstlicher Intelligenz]] Signale analysieren und Rückkopplungen generieren<ref name=":0">{{Literatur |Autor=Guangqi Huang et al. |Titel=AI-Driven Wearable Bioelectronics in Digital Healthcare |Sammelwerk=Biosensors |Band=15 |Nummer=7 |Datum=2025 |DOI=10.3390/bios15070410}}</ref><ref name=":1">{{Literatur |Autor=David Chimene et al. |Titel=Insertable Biosensors: Combining Implanted Sensing Materials with Wearable Monitors |Sammelwerk=Annu. Rev. Biomed. Eng. |Band=26 |Datum=2024 |DOI=10.1146/annurev-bioeng-110222-101045 |Seiten=197}}</ref>.

== Aufbau und Prinzip ==
[[Datei:Accu-chek blood glucose test strips.jpg|mini|Bei Blutzuckermessstreifen handelt es sich um typische Biosensoren. Hier wird amperometrisch der Glucosegehalt des aufgetragenen Bluts bestimmt.]]
Biosensoren basieren auf der direkten räumlichen Kopplung eines [[Immobilisierung (Biotechnologie)|immobilisierten]] biologisch aktiven Systems mit einem Signalumwandler ([[Transduktor (Elektrotechnik)|Transduktor]]) und einem [[Verstärker (Elektrotechnik)|elektronischen Verstärker]]. Für die Erkennung der zu bestimmenden Substanzen nutzen Biosensoren biologische Systeme auf unterschiedlich hohem Integrationsniveau. Solche Erkennungselemente können entweder natürliche (z. B. [[Antikörper]], [[Enzym]]e, [[Nukleinsäuren]], [[Organellen]] oder [[Zelle (Biologie)|Zellen]]) oder synthetische (z. B. [[Aptamer]]e, [[Molecular Imprinting|molekular geprägte Polymere]], [[Makrocyclen]] oder synthetische [[Peptid]]e) Systeme sein.<ref>{{Literatur |Autor=Can Dincer, Richard Bruch, Estefanía Costa‐Rama, Maria Teresa Fernández‐Abedul, Arben Merkoçi |Titel=Disposable Sensors in Diagnostics, Food, and Environmental Monitoring |Hrsg= |Sammelwerk=Advanced Materials |Band= |Nummer= |Auflage= |Verlag= |Ort= |Datum=2019-05-15 |ISBN= |ISSN=0935-9648 |DOI=10.1002/adma.201806739 |Seiten=1806739 }}</ref> Das immobilisierte biologische System des Biosensors tritt in Wechselwirkung mit dem [[Analyt]]en. Dabei kommt es zu physikochemischen Veränderungen, wie z. B. Veränderungen der Schichtdicke, der [[Brechungsindex|Brechungsindizes]], der Lichtabsorption oder der elektrischen Ladung. Diese Veränderungen können mittels des Transduktors, wie z. B. optoelektrischen Sensoren, amperometrischen und potentiometrischen Elektroden oder speziellen [[Feldeffekttransistor]]en ([[chemisch sensitiver Feldeffekttransistor]]) bestimmt werden.<ref>{{Literatur |Autor=Florinel-Gabriel Bănică |Titel=Chemical Sensors and Biosensors:Fundamentals and Applications |Verlag=John Wiley & Sons |Ort=Chichester, UK |Datum=2012 |ISBN=978-1-118-35423-0}}</ref> Nach dem Messvorgang muss der Ausgangszustand des Systems wiederhergestellt werden. Ein Problem bei der Entwicklung von Biosensoren ist die [[Korrosion]] des Biosensors durch eine Beschichtung mit Zellen ([[Biokorrosion]]) oder durch das [[Kulturmedium]]. Beispielsweise korrodieren typische Zellkulturmedien für eukaryotische Zellkulturen [[Silicium]] mit einer Geschwindigkeit von etwa 2 nm/h.<ref name="DOI10.1364/BOE.8.002924">Graham J. Triggs, Gareth J. O. Evans, Thomas F. Krauss: ''Degradation of silicon photonic biosensors in cell culture media: analysis and prevention.'' In: ''[[Biomedical Optics Express]].'' Band 8, Nr. 6, 2017, S. 2924, [[doi:10.1364/BOE.8.002924]].</ref>

Die Messung eines Analyten mittels eines Biosensors erfolgt demnach in drei Schritten. Zunächst erfolgt die spezifische Erkennung des Analyten durch das biologische System des Biosensors. Anschließend findet die Umwandlung der physikochemischen Veränderungen, die durch die Wechselwirkungen des Analyten mit dem Rezeptor entstehen, in ein elektrisches Signal statt. Dieses Signal wird dann verarbeitet und verstärkt. Signalumwandlung und Elektronik können kombiniert werden, z. B. in CMOS-basierten [[Mikrosystem (Technik)|Mikrosensorsystemen]].<ref name="A1">[[Andreas Hierlemann|A. Hierlemann]], O. Brand, C. Hagleitner, H. Baltes: ''Microfabrication techniques for chemical/biosensors.'' In: ''Proceedings of the IEEE.'' Band 91, Nr. 6, 2003, S. 839–863. {{ISSN|0018-9219}}.</ref><ref name="A2">[[Andreas Hierlemann|A. Hierlemann]], H. Baltes: ''CMOS-based chemical microsensors.'' In: ''[[The Analyst]].'' Band 128, Nr. 1, 2003, S. 15–28.</ref> Seine Selektivität und Empfindlichkeit bezieht ein Biosensor aus dem verwendeten biologischen System.

== Arten von Biosensoren nach Funktion ==
{{Siehe auch|Mikrosystemtechnik}}
; [[Piezoelektrischer Sensor|Piezoelektrische Sensoren]]: Die Schwingungs[[frequenz]] eines Quarzes ist umgekehrt proportional zur Wurzel seiner Masse. Ein mit [[Enzym]]en, Antikörpern oder anderen Bindern beschichteter [[Quarz]]kristall lässt sich somit als [[Quarzkristall-Mikrowaage|Mikrowaage]] verwenden. Ein besonders empfindlicher (sensitiver) Spezialfall sind die [[Oberflächenwelle]]nsensoren (SAW-Sensoren, [[Surface Acoustic Waves]]). Hierbei werden auf einem [[Piezoelektrizität|piezoelektrischen]] Quarz zwei Beschichtungen aufgebracht, die als Sender bzw. Empfänger dienen und nach elektrischer Anregung akustische Oberflächenwellen aussenden. [[Immunreaktion]]en bewirken durch Bindung eines [[Antigen]]s an einen [[Antikörper]] eine Änderung der Oberfläche und damit eine Änderung der [[Resonanzfrequenz]] der Welle.

; [[Optischer Detektor|Optische Sensoren]]: Mit diesen Sensoren verfolgt man in der Praxis vor allem den Sauerstoffgehalt in Flüssigkeiten. Als Messprinzip liegt hier die [[Fluoreszenzlöschung]] zugrunde. Als Messeinrichtung dient ein [[Lichtwellenleiter]], an dessen Ende ein Indikator aufgebracht ist. Die [[Lumineszenz]]- oder [[Absorption (Physik)|Absorptionseigenschaften]] dieses Indikators sind von chemischen Größen, wie der Sauerstoffkonzentration abhängig. Eine andere einsetzbare Methode beruht auf der [[Evaneszenz]], die bei der Totalreflexion am Übergang vom optisch dichteren in ein optisch dünneres Medium auftritt. Hierbei kann von einem [[Fluoreszenz]]-markierten [[Analyt]] Fluoreszenzlicht in den Lichtleiter eingekoppelt und darüber eine Aussage über die Konzentration gemacht werden. Dieses Verfahren benutzt man zur Bestimmung von Antigenen über eine Reaktion mit einem spezifischen Antikörper an der Oberfläche eines Lichtleiters. Die Methode kann man empfindlicher machen, wenn man auf der Oberfläche des Lichtleiters noch einen dünnen Metallfilm anbringt. Hierbei treten in dem Metallfilm Dichteschwankungen freier Ladungsträger auf ([[Plasmon (Physik)|Plasmonen]]). Bei einem derartigen Sensor nach dem Prinzip der ''Surface Plasmon Resonance'' wird der Metallfilm zusätzlich mit [[Dextrane]]n beschichtet, an die Analyt-spezifische Antikörper gebunden werden können.

; Elektrochemische Detektion
* durch [[Amperometrie]]: Bei der Amperometrie wird in einer Messkammer an zwei Elektroden bei konstant gehaltener Spannung der Stromfluss gemessen. Sie ist geeignet für Stoffwechselprodukte, die leicht oxidiert oder reduziert werden können. Oftmals werden auch Mediatoren eingesetzt, das sind [[Redoxpaar]]e, die bei der Oxidation des eigentlichen Substrats indirekt eingreifen und zum [[Elektronentransfer]] dienen. Wird z. B. ein zu bestimmendes Substrat von [[Flavin-Adenin-Dinukleotid|FAD]], das [[Coenzym]] der meisten [[Oxidase]]n ist, oxidiert, wobei FAD zu FADH reduziert wird, so wird FADH anschließend von der oxidierten Form des Mediators wieder zu FAD oxidiert. Die dabei entstehende reduzierte Form des Mediators wird anodisch wieder oxidiert. Über Aufnahmen der Strom-Spannungs-Kurven lassen sich Aussagen zum Redoxverhalten und zur Konzentration des eigentlichen Substrats machen. Als Mediatoren werden z. B. [[Hydrochinon]] oder Derivate des [[Ferrocen]]s benutzt. Der Vorteil von Mediatoren ist, dass man eine viel niedrigere Spannung vorgeben kann und damit unerwünschte Nebenreaktionen vermeidet. Amperometrische Biosensoren werden z. B. eingesetzt zur Bestimmung von [[Glucose]], [[Cholesterin]], [[Fettsäure]]n und L-[[Aminosäuren]] mit den entsprechenden Enzymen als Oxidasen.
* durch [[Potentiometrie]]: Die Potentiometrie wird bei ionischen Reaktionsprodukten eingesetzt. Die quantitative Bestimmung dieser Ionen erfolgt anhand ihres elektrischen Potentials an einer Messelektrode, die zur Bestimmung eines Substrats mit einem geeigneten Enzym belegt ist. Bei [[Hydrolase]]n, z. B. [[Urease]], wird so die Änderung des [[pH-Wert]]es oder die Änderung von [[Ammonium]]ionen bzw. [[Hydrogencarbonate|Hydrogencarbonationen]] bestimmt. Als Messelektroden werden häufig [[Ionensensitiver Feldeffekttransistor|ionensensitive Feldeffekttransistoren]] (ISFET) oder Metalloxid-beschichtete Säureelektroden ([[MOSFET]]) verwendet. Als Referenzelektrode benutzt man eine Elektrode gleichen Typs, jedoch ohne Belegung mit einem Enzym. Die potentiometrische Methode wird eingesetzt zur Bestimmung von z. B. [[Harnstoff]], [[Kreatinin]] oder [[Aminosäure]]n.
* mit [[Ionenselektive Elektrode|ionenselektiven Elektroden]]: Werden diese mit einem Enzym belegt, so arbeiten sie nach dem gleichen Prinzip wie bei der Potentiometrie beschrieben.

; Interferometrische Detektion: hierbei wechselwirken die Biomoleküle mit einer Polymerschicht deren Dickenänderung mit der [[reflektometrische Interferenzspektroskopie]] verfolgt wird.

== Arten von Biosensoren nach Anwendung ==
=== In Vivo Biosensoren ===
Dazu gehören [[Kontinuierlich messender Glucosesensor|kontinuierlich messende Glucosesensoren]], intraokulare Drucksensoren, tragbare Klebepflaster (engl.''wearable patches'') und Sensoren die [[Atemfrequenz]] oder Schlafqualität erfassen. Zu dieser Kategorie zählen auch [[Stimulator|Neurale Stimulatoren]], wie die [[Tiefe Hirnstimulation]] bei [[Parkinson-Krankheit|Morbus Parkinson]], [[Vagusnervstimulator]]en und ''Kardiale Drucksensoren'', die den [[Pulmonal arterieller Druck|pulmonalarteriellen Druck]] (PA-Druck) direkt in der Lungenschlagader messen<ref name=":0" />.

Die Entwicklung innovativer Materialien wie [[Graphen]]e, [[Hydrogel]]e, [[Nanofaser|Nano-Fasern]] und -Drähte und deren besondere Eigenschaften wie Flexibilität und [[Dehnbarkeit]], [[Biokompatibilität]], [[Sterilisation|Sterilisier]]<nowiki/>barkeit hat ab 2015 schnell zugenommen. Ferner haben Fortschritte bei der transkutanen Energieübertragung für drahtloses Laden, sichere Signalübertragungs- und Verarbeitungs methoden, die Miniaturisierung und die Herstellung großer Stückzahlen zu automatisieren ein Übriges geleistet, die Forschung und Entwicklung von Biosensoren voranzubringen<ref name=":1" /><ref>{{Literatur |Autor=Jae Young Park et al. |Titel=Translation of Implantable Microscale Sensors and Actuators |Sammelwerk=Annu. Rev. Biomed. Eng. |Band=27 |Datum=2025 |DOI=10.1146/annurev-bioeng-110122-121128}}</ref>.

== Anwendungen ==
Das erste Messsystem, das als Biosensor entsprechend der oben angeführten Definition bezeichnet werden kann, wurde 1962 von Clark und Lyons entwickelt.<ref>L. C. Clark, C. Lyons: '' Electrode systems for continuous monitoring in cardiovascular surgery.'' In: ''Ann. N.Y. Acad. Sci.'' Band 31, Nr. 102, 1962, S. 29–45. PMID 14021529</ref> Es wurde ein Messsystem beschrieben, das die Bestimmung von [[Glucose]] im [[Blut]] während und nach Operationen ermöglicht. Dieser Biosensor bestand wahlweise aus einer [[Sauerstoffelektrode]] nach Clark oder einer [[pH-Elektrode]] als Transduktor, vor denen zwischen zwei [[Membran (Trennschicht)|Membranen]] das Enzym [[Glucose-Oxidase]] aufgebracht war. Die Glucosekonzentration konnte als Änderung des [[pH-Wert]]es bzw. als Änderung der Sauerstoffkonzentration infolge der [[Oxidation]] der Glucose unter katalytischer Wirkung des Enzyms Glucose-Oxidase bestimmt werden.

Bei diesem Aufbau ist das biologische Material zwischen zwei Membranen eingeschlossen, oder das biologische System ist auf eine Membran aufgebracht und wird direkt mit der Oberfläche des Transduktors verbunden. Die Anwendungsbereiche für Biosensoren in der Analytik von [[Wasser]] und [[Abwasser]] lassen sich unterteilen in Biosensoren zur Bestimmung von Einzelkomponenten, Biosensoren zur Bestimmung von [[Toxizität]] und [[Mutagenität]] sowie in Biosensoren zur Bestimmung des [[Biochemischer Sauerstoffbedarf|Biochemischen Sauerstoffbedarfs]] (BSB).

Biosensoren zur Bestimmung von Proteinen wurden mit Silizium-Feldeffekt-Sensoren (sogenannten [[ChemFET]]s) realisiert. Sie ermöglichen die markerfreie Analyse von Proteinen im Bereich der [[Proteinanalytik]] durch ''in-situ''-Verfahren, da sie die Proteinanbindung über die intrinsische Ladungsmenge des Proteins mittels Feldeffekt detektieren.<ref>S. Q. Lud, M. G. Nikolaides, I. Haase, M. Fischer, A. R. Bausch: ''Field Effect of Screened Charges: Electrical Detection of Peptides and Proteins by a Thin Film Resistor.'' In: ''ChemPhysChem.'' Band 7, Nr. 2, 2006, S. 379–384.</ref>

Der [[Bakterien]]gehalt von Badegewässern oder von Abwässern lässt sich mittels eines Biosensors bestimmen. Auf einer schwingenden Membran sind hierbei [[Antikörper]] gegen bestimmte Bakterienarten angebracht. Schwimmen die entsprechenden Bakterien am Messfühler vorbei, heften sie sich an die Antikörper und verlangsamen dadurch die Schwingungen der Membran. Unterschreiten die Schwingungen einen bestimmten Wert, wird Alarm ausgelöst.

Die [[Penicillin]]konzentration in einem [[Bioreaktor]], in welchem [[Pilze|Pilzstämme]] kultiviert werden, lässt sich mit einem Biosensor bestimmen. Die biologische Komponente des hierbei verwendeten Sensors stellt hierbei das Enzym [[Acylase]] dar. Dieses Penicillin spaltende Enzym wird auf eine Membran gebracht, die einer pH-Elektrode aufliegt. Nimmt nun die Penicillinkonzentration im Medium zu, spaltet das Enzym immer größere Mengen einer [[Säure]], der [[Phenylessigsäure]], ab. Dadurch verändert sich der [[pH-Wert]] an der Elektrode. Man kann also nun vom pH-Wert auf die Konzentration des Penicillins schließen.

Zu den Biosensoren gehört auch [[Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie]]. Hierbei wird die Bindung von Stoffen mittels [[Plasmon (Physik)|Plasmonen]]-Detektion gemessen.

Eine neue Entwicklung zur Überwachung von Lebensmitteln basiert auf Nanosensoren. Die [[Fluoreszenz]] von [[Nanopartikel]]n, die sich in einem [[Agarose]]-Nährmedium befinden, ändert sich deutlich, wenn sich der pH-Wert aufgrund eines bakteriellen Stoffwechsels im Lebensmittel ändert. Hierbei sind in den Nanopartikeln zwei Fluoreszenzfarbstoffe eingebettet. Der erste ist ein wasserabweisender [[Fluoreszein]]farbstoff. Er leuchtet grün bei Anregung mit einer Leuchtdiode und reagiert empfindlich auf eine Änderung des pH-Wertes. Der zweite, ein Farbstoff mit pH-unabhängiger roter Fluoreszenz, dient als interne Referenz.<ref>{{Literatur |Autor=Xu-dong Wang, Robert J. Meier, Otto S. Wolfbeis |Titel=Fluorescent pH-Sensitive Nanoparticles in an Agarose Matrix for Imaging of Bacterial Growth and Metabolism |Sammelwerk=Angewandte Chemie |Band=124 |Nummer=45 |Datum=2012 |DOI=10.1002/ange.201205715}}</ref>

Mit einem neuartigen pH-Sensor lassen sich pH-Wert-Änderungen in lebenden Zellen über längere Zeiträume verfolgen. Das Prinzip beruht auf einer Kombination fluoreszierender Nanokristalle mit beweglichen [[Oligonukleotid]]en, die sich in Abhängigkeit vom umgebenden pH-Wert zusammenfalten oder ausstrecken. Damit wird der Abstand zwischen dem Nanokristall-Energiedonor mit einem grünen [[Fluoreszenzfarbstoff]] und einem [[FRET]]-Akzeptor, der aus einem roten Fluoreszenzfarbstoff besteht, pH-abhängig geändert. Zu einem FRET-Energietransfer und damit zum Leuchten des roten Fluoreszenzfarbstoffes kommt es dabei, wenn der Abstand gering ist. Beobachtet wird das Verhältnis zwischen grüner und roter Fluoreszenz mit einem [[Fluoreszenzmikroskopie|Fluoreszenzmikroskop]].<ref>{{Literatur |Autor=Euan R. Kay, Jungmin Lee, Daniel G. Nocera, [[Moungi G. Bawendi]] |Titel=Conformational Control of Energy Transfer: A Mechanism for Biocompatible Nanocrystal-Based Sensors |Sammelwerk=Angewandte Chemie |Band=124 |Nummer=52 |Datum=2012 |ISSN=1521-3757 |DOI=10.1002/ange.201207181}}</ref>

== Quellen ==
* [[Rolf Schmid (Chemiker)|R. D. Schmid]], U. Bilitewski: ''Biosensoren.'' In: ''[[Chemie in unserer Zeit]].'' 26. Jahrg., Nr. 4, 1992, S. 163–173, {{ISSN|0009-2851}}
* Brian R. Eggins: ''Chemical Sensors and Biosensors. Analytical Techniques in the Sciences.'' 2. Auflage. Wiley, 2002, ISBN 0-471-89914-3.
* M. Perpeet, S. Glass, T. Gronewold, A. Kiwitz, A. Malavé, I. Stoyanov, M. Tewes, E. Quandt: ''SAW sensor system for marker-free molecular interaction analysis.'' In: ''[[Analytical Letters]].'' Band 39, Nr. 8, 2006, S. 1747–1757.

== Literatur ==
* Reinhard Renneberg, Dorothea Pfeiffer, Fred Lisdat, George Wilson, Ulla Wollenberger, Frances Ligler, Anthony P.F. Turner: ''Frieder Scheller and the short history of biosensors.'' In: ''Advances in Biochemical Engineering / Biotechnology.'' Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg 2008, ISBN 978-3-540-75200-4, S. 1–18 (kurzer Abriss der Geschichte der Biosensoren)

== Weblinks ==
* [http://chem.ch.huji.ac.il/~eugeniik Homepage of Eugenii Katz: Biosensors & Bioelectronics]
* [http://www.ufz.de/index.php?de=13023 Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung UFZ: Biosensoren]

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4193016-2}}

[[Kategorie:Biotechnologie]]
[[Kategorie:Elektrochemie]]
[[Kategorie:Sensor]]

Biosensor - Versionsgeschichte

imported>Ghilt: /* Arten von Biosensoren */ unterteilt