Biosensoren

Diagnostische Methoden bilden einen ausgedehnten und stabilen Markt, der stetig expandiert. Insbesondere im heutigen Umfeld, in dem nach dem Grundsatz „Prävention ist besser als Heilung“ verfahren wird, sind neben den fortlaufenden Anforderungen an die Überwachung und Kontrolle in traditionellen Bereichen zusätzliche Nachweismethoden notwendig, von denen immer größere Empfindlichkeit und immer breitere Anwendungsmöglichkeiten erwartet werden. Zwar sind Marktanalysen und die Einschätzung zukünftiger Entwicklungen häufig schwierig und ungenau, aber klinische Tests stellen zweifellos einen der größten Marktanteile dar, und allein auf diesem Gebiet zeichnet sich für die Zukunft ein beträchtlicher Aufwärtstrend ab. Zahlen zum Ausmaß dieses Trends variieren allerdings je nach der Erhebung.

Die meisten chemischen Bausteine der Lebewesen sind organische Kohlenstoffverbindungen; viele enthalten auch Stickstoff. Zwar ist jede lebende Art aus der ihr eigenen, nur für sie typischen Kombination von Biomolekülen aufgebaut, aber die Vielfalt läßt sich dennoch auf wenige Bausteine mit allgemein übereinstimmender Struktur reduzieren. Man kann diese Bausteine in einer hierarchischen Ordnung sehen, angeordnet wie auf einer Leiter entsprechend ihrem Molekulargewicht (Abb. 2.1.).

Nach der Definition von Bronsted lassen sich Säuren als Protonendonoren und Basen als Protonenakzeptoren auffassen, also

Die elektronischen Eigenschaften von Feststoffen werden gewöhnlich mit der molekularen Orbitaltheorie als Bändermodell beschrieben, bei dem die Molekülorbitale so dicht angeordnet sind, daß sie eigentlich als kontinuierliche Bänder erscheinen. Die bindenden Energieniveaus sind aufgefüllt und bilden das Valenzband, während die nicht gefüllten, anti-bindenden Energieniveaus das Leitungsband bilden. Durch die Trennung dieser beiden Bänder, die verbotene Zone, ergibt sich ein Bandabstand mit der Energie E _g (Abb. 4.1).

Eine gemeinsame Erscheinung vieler chemischer und biochemischer Reaktionen ist ein Wechsel des Oxidationszustandes, d.h. ein Ladungstransfer. Eine solche Übertragung von Ladungen kann allgemein mit dem Ausdruck beschrieben werden, wobei n die Zahl der Elektronen (e) ist, die vom Oxidans (O) zum Reduktans (R) übertragen werden. Mit dieser Gleichung ist auch eine einfache Elektrodenreaktion zu beschreiben, die mit einem Ladungstransfer einhergeht. Hierbei werden Elektronen zwischen der Elektrode und einer elektroaktiven Substanz an der Oberfläche der Elektrode übertragen.

Nach der Quantentheorie beträgt die Energieänderung ΔE in einem Molekül, in dem die innere Energie durch Absorption eines Quants elektromagnetischer Stahlung erhöht wird: wobei h die Plancksche Konstante, v die Frequenz, λ die Wellenlänge und c die Geschwindigkeit der elektromagnetischen Strahlung im Vakuum ist. Die Beziehung gibt exakt die Differenz zwischen zwei Energieniveaus des Moleküls an. Betrachtet man die innere Energie als Summe der elektronischen Energie, Schwingungs- und Rotationsenergie, gilt

Die bisher betrachteten Erkennungssysteme, die für die Verwendung in Sensoren gedacht sind, waren entweder Einzelmoleküle oder Molekülkomplexe. In diesem Kapitel soll es um komplexere Erkennungssysteme in Form von ganzen Zellen, Geweben und Organismen gehen. Die weiteren Kapitel werden dann mehr auf die Verwendung isolierter Zellbestandteile eingehen. Vor allem Entwicklungen der Elektrochemie trugen wesentlich dazu bei, Sensoren mit fixierten ganzen Zellen zu konstruieren; mikrobielle Sensoren weisen dabei einen wirtschaftlichen Vorteil auf, weil die Zellen billiger gewonnen werden können als einzelne Zellkomponenten. Häufig ist auch die Aktivität ganzer Zellen weniger anfällig gegenüber gelegentlichen Schwankungen der Umgebungsbedingungen als die isolierten Enzyme; dies kann zu einer längeren Lebensdauer mikrobieller Sensoren beitragen. Andererseits haben Systeme mit ganzen Zellen in der Regel eine längere Ansprechzeit als solche auf Enzymbasis. Dies hängt wahrscheinlich mit dem zusätzlichen Schritt des Transports durch die Zellwand zusammen.

Bei der Verwendung von Sensoren mit ganzen Zellen hat man es vor allem mit einem Nachteil zu tun: der mangelnden Spezifität. Sehr oft können die verwendeten Zellen die gleichen Elektrodensignale mit Substraten hervorrufen, die dem Analyten sehr ähnlich sind — oder aber auch mit völlig unähnlichen. In dem vorhergehenden Kapitel wurden bereits Methoden diskutiert, mit denen man solche Störungen eliminieren kann. Aber es gibt auch einen völlig anderen Ansatz, dieses Problem zu lösen: Vielfach lassen sich nämlich die Enzyme isolieren und außerhalb ihrer natürlichen Umgebung verwenden. Auf diese Weise können immobilisierte Enzyme in Verbindung mit einem elektrochemischen Test eingesetzt werden [1, 2].

Während amperometrische Biosensoren unter Verwendung eines elektroaktiv wirksamen Produkts aus einer enzymkatalysierten Reakton (z.B. O₂ oder H₂O₂ im Glucose/Glucose-Oxidase-System, s. Kap. 8) aufgebaut werden, lassen sich in gleicher Weise potentiometrische Biosensoren nach dem Prinzip einer ionenselektiven Elektrode aufbauen, die direkt oder indirekt eine Veränderung der Ionenkonzentration aufzeichnet, die ebenfalls auf eine enzymatische Reaktion zurückgeht: Wie bei den amperometrischen Enzymelektroden können sowohl Gleichgewichtsmessungen als auch kinetische Methoden verwendet werden. Allerdings werden kinetische Messungen dadurch kompliziert, daß das gemessene Potential mit der Konzentration des Analyten logarithmisch verknüpft ist. Sie können durch folgende Überlegungen vereinfacht werden [1]: Das gemessene Potential wird durch die Nernstsche Gleichung angegeben (Kap. 3):

Die Mehrzahl der herkömmlichen biologischen Tests beruht auf optischen Techniken. Viele dieser Bestimmungen sind nach entsprechender Anpassung auch für eine Verwendung in Festkörpersensoren geeignet, indem ein optischer Wellenleiter als intrinsischer oder extrinsischer Transducer verwendet wird (s. Kap. 6).

Biochemische Reaktionen sind in der Regel deutlich exotherm. Die Bestimmung der Reaktionswärme bietet daher eine universelle Möglichkeit zur Transduktion in einem Biosensor. Die Detektion hängt bei solchen Sensoren nicht vom Verbrauch oder der Entstehung elektroaktiver oder optisch aktiver Verbindungen ab; die Methode ist daher auch unempfindlich gegen optische oder elektrochemische Störungen. Die Enthalpieänderung ist bei vielen Reaktionen groß genug, daß bereits enzymatische Ein-Schritt-Reaktionen ohne Verstärkung zur Detektion ausreichen (Tab. 11.1). Häufig kann durch Kopplung mit einem zweiten Enzym noch eine Folgereaktion genutzt werden, beispielsweise durch die Kombination von Oxidasen (H₂O₂-Bildung) mit Katalase (H₂O₂-Spaltung), wobei durch die Aufsummierung beider Reaktionsenthalpien in einfacher Weise eine Signalverstärkung erzielt werden kann.