Ingo RechenbergPowerPoint-Folien zur 4. Vorlesung Bionik II / BiosensorikBiosensoren mit Algen, Muscheln und Kartoffelkfern Exotische Biosensoren im EinsatzWeiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

Biosensor =Bionisch-biotechnologisches Zwittersystem

AnalytEnzymTrans- ducerAnzeigeDer klassische Biosensor

Es sind bis heute ca. 4000 Enzyme bekannt. Der Name eines Enzyms wird aus drei Teilen gebildet:1. Namen des Substrates2. Typ der katalysierten Reaktion3. Suffix "-ase"Beispiele fr Oxidase-EnzymeGlucose-OxidaseCholesterin-OxidaseLactat-OxidaseAlkohol-OxidaseAldehyd-OxidaseGlycolat-OxidaseOxalat-OxidaseAscorbat-OxidasePhenol-OxidaseXanthin-OxidaseAls Oxidasen bezeichnet man Enzyme, die die bei der Oxidation eines Substrates freiwerdenden Elektronen auf Sauerstoff bertragen

Enzyme werden entsprechend der von ihnen katalysierten Reaktion in sechs Enzymklassen eingeteilt:

Oxidoreduktasen, die Redoxreaktionen katalysieren. Transferasen, die funktionelle Gruppen von einem Substrat auf ein anderes bertragen. Hydrolasen, die Bindungen unter Einsatz von Wasser spalten. Lyasen, auch Synthetasen genannt, die die Spaltung oder Synthese komplexerer Produkte aus einfachen Substraten katalysieren, allerdings ohne Spaltung von ATP. Isomerasen, die die Umwandlung von chemischen Isomeren beschleunigen. Ligasen oder Synthetasen, die die Bildung von Substanzen katalysieren, die chemisch komplexer sind als die benutzten Substrate, allerdings im Unterschied zu den Lyasen nur unter ATP-Spaltung enzymatisch wirksam sind.

AnalytEnzymTrans- ducerAnzeigeDer klassische Biosensor

e-AKupfer / Zink-ZelleKupferelektrodeZinkelektrodeHalbdurchlssigeMembranDaniell-Element1234Funktionsschritte

e-ASilber / Silber-ZelleSilberelektrodeSilberelektrodeHalbdurchlssigeMembran(Konzentrationszelle)

e-PalladiumNetzelektrodeElektrolyt (KOH)AH2O2Sauerstoff / Wasserstoff-ZelleHalbdurchlssigeMembranH+H2OPalladiumNetzelektrode

Funktion einer BrennstoffzelleO2H2H2O H2Kathode Elektrolyt(Membran)AnodeA

Sonderformen von BiosensorenAnalytBio-RezeptorTrans- ducerAnzeige

Lackmus ist ein blauer Farbstoff, der z. B. aus der Flechte Roccella fuciformis gewonnen wird. SureBaseFrberflechte (Roccella fuciformis) Biosensor LackmuspapierSchon im 13. Jahrhundert wurde Lackmus von Arnaldus de Villanova, einem Alchemisten und Arzt, als chemisches Reagenz verwendet. pH

Der Papierstreifentest funktioniert mit genmanipulierten Escherichia Coli Bakterien als Biosensoren. Auf dem Teststreifen sind die Bakterien mit einem immobilisierenden Nhrsubstrat aufgetragen. Zur Messung wird der Teststreifen eine Stunde lang in einen Becher der zu untersuchenden Trinkwasserprobe gelegt. Ist anorganisches Arsen in der Probe enthalten, produzieren die Bakterien entsprechende Mengen des Enzyms beta-Galaktosidase. Unter Zugabe der Indikatorsubstanz X-Gal entsteht eine Blaufrbung. Die Intensitt der Blaufrbung korreliert mit der Arsenkonzentration der Probe.Biosensor fr Arsennachweis im Wasser(Meldung vom 29. 10. 2002)Escherichia coli

Bienenstock als GeigerzhlerDie radioaktive Durchseuchung stellt eine rasch zunehmende Gefahr fr viele zivilisierte Lnder dar. Da nun Bienen das biologisch wichtige radioaktive Element Strontium 90 speichern, das bei Atomentladungen entsteht, hat man neuerdings in der Nhe von Forschungszentren Bienenstcke aufgestellt, die mit Geigerzhlern versehen sind. Wenn die Bienen zum Stock zurckkehren, registriert der Geigerzhler die radioaktiven Spuren, und es lst sich leicht erkennen, in welchem Ausma eine radioaktive Durchseuchung vorliegt.Deutsche Medizinische Wochenschrift, 80. Jahrgang, Nr. 20, S. 803, Mai 1955Bienen als BiodetektiveHamburg - 60 000 Bienen sollen am Hamburger Flughafen die Luftqualitt testen. Eine Belastung von Pflanzen kann in ihrem Honig zweifelsfrei nachgewiesen werden. Bisher sei der Honig immer einwandfrei gewesen und verschenkt worden, teilte der Flughafen mit.Der Tagesspiegel, 4./ 5. Mai 2005

Der Leuchtbakterientest ist ein etabliertes Biotest-verfahren zur Detektion von Schadstoffwirkungen in Wasserproben. Er beruht auf der Hemmung der bakteriellen Biolumineszenz durch toxische Substanzen. Leuchtbakterien des Stammes Vibrio fischeri NRRL B-11177 werden den Wasserproben zugesetzt. Die Lumineszenz wird vor und nach Beendigung der Einwirkzeit gemessen. Eine Hemmung ber 20 Prozent wird als toxische Wirkung angesehen. Die Details des Verfahrens sind in der DIN-Norm 38412 Teil 34 beschrieben. Der LeuchtbakterientestVibrio fischeriKultur 3 Tage, 20CSeewasser- Komplettmedium

Die Algenkultur wird 15 Minuten belichtet, sodass die Photosynthese in Gang kommt. Bringt man die belich-teten Algen nun vom Hellen ins Dunkle, so kann ein abklingendes dunkelrotes Nachleuchten (Wellenlnge 680nm bis 720nm) gemessen werden, die so genannte verzgerte Fluoreszenz. Dieses schwache Nachleuch-ten ist eine intrinsische Eigenschaft aller photosynthe-tisch aktiven Pflanzenzellen. Photosynthesegifte vern-dern die Abklingkinetik der verzgerten Fluoreszenz. Biosensor: Algentoximeter

Das Daphnientoximeter ist ein biologisches Frhwarn-system mit Wasserflhen. Die Testorganismen Daphnia magna befinden sich in einem Glascontainer im Inneren des Gertes und werden von einer Video-Kamera rund um die Uhr beobachtet. Die Schwimmbahnen der Tiere werden aufgezeichnet und analysiert. nderungen im Schwimmverhalten der Tiere zeigen die Anwesenheit von toxischen Stoffen an.Biosensor: DaphnientoximeterRheinwasserAblaufInfrarot-LampenInfrarot-Sensoren

DentalkleberHalterungSensorSensorDreikantmuschelDreissena polymorphaEine Muschel schliet ihre Schale, um sich vor ueren Einflssen zu schtzen. Die Schalenffnungsweite nimmt bei einem Schad-stoffeintrag ab. Die Schalenffnungsweite der Muschel wird mit zwei Strom durchflossenen Spulen gemessen, von denen die eine ein Magnetfeld erzeugt, die andere die Magnetfeldstrke misst. Biosensor: Muscheltoximeter

Eine Digitalkamera zeichnet Livebilder der Fische auf, die dann von einem angeschlossener PC online analysiert werden. Jede Art der Verhaltensnderung der Fische wird untersucht und analysiert. Der so genannte "Toxische Index", der sich aus allen Verhaltensparameter zusammensetzt, wird permanent berechnet. Firma: bbe Moldaenke Fischtoximeter zur Trinkwasserberwachung64 Lichtschranken zur Erkennung der Fischbewegungen 30 Lichtschranken zur Erkennung von immobilen FischenBiosensor: Fisch Toximeter

Antiker Vorkoster als Biosensor

Sieben Nilhechte kontrollieren zurzeit das Trinkwasser der Stadtwerke Gppingen. Wenn das Wasser in Ordnung ist, senden die in ein Aquarium eingesetzten Tiere 400 bis 800 elektrische Impulse in der Minute aus. Bei verschmutztem Wasser sinkt die Impulsrate.Tagesspiegel: 22. 11. 1978

Biosensor: Elefantenrsselfisch fr die Trinkwasserkontrolle

Haschisch-BiosensorAnalytBeschleunigungssensorAuswerteeinheitBiologischer EingangTransducer

Grnblattduft Z-3-hexen-1-olim KartoffelfeldKartoffelkfer

Die Spitze der Kferantenne taucht in einen Elektrolyten, der den elektrischen Kontakt zwischen Antenne und Transistor herstellt. Riecht der Kfer verletzte Pflanzen, macht sich das in einem vernderten Transistorstrom bemerkbar, der am Messgert abgelesen werden kann. Der Kartoffelkfersensor

Ganzer KferElektrolytAntenneKartoffelkferFETElektroantennographie (EAG)

Elektroantennographie (EAG)Die Elektroantennographie (EAG) ist eine Methode zur Messung olfaktori-scher Reaktionen eines Insektes durch die Ableitung elektrischer Signale an seinen Antennen. Die Potenzialablei-tung erfolgt aus der Insektenantenne. Dazu muss eine Elektrode mit der An-tennenspitze verbunden werden, eine zweite mit dem anderen Ende der An-tenne bzw. dem Kopf des Insektes. Die abgeleiteten Potenziale werden mit einem hochohmigen Verstrker verstrkt.

Verwirrungstechnik: Schmetterlingsmnnchen werden durch ein berangebot an synthetischen Weibchenpheromene verwirrt, ihre Orientierung gestrt und die Partnerfindung unterbunden. Diese Verwirrungstechnik hat sich vor allem zum Schutz von Baumwolle und im Weinbau bewhrt.EAG-Messungen zur Entwicklung neuer Methoden in der Schdlingsbekmpfung

Messung vonPheromonkonzentrationenim Freiland mitElektroantennogrammen (EAG) Hier wird der Fhler (Antenne) des Schadinsekts als Bio-Sensor in einem Messgert eingesetzt, das wesentlich empfindlicher ist als herkmmliche chemische Messgerte.

Mikro-Air-Vehikel mit Kartoffelkfer-ElektroantennographAntennograph

Lokale Kartoffelkfer-Elimination durch eine knstliche Libelle mit (Z-3-hexen-1-ol)-Grnblattduft-Sensor

Die Antenne des Kiefernprachtkfers als hochempfindlicher RauchgasdetektorInfrarotorganRauchgasdetektorPrachtkfer ( Melanophila) bentigen als Nah-rungsquelle fr ihre Larven das Holz verbrannter Bume. Aus diesem Grund fliegen die Kfer Waldbrnde auch aus groen Entfernungen an. Das Auffinden von Waldbrnden erfolgt mittels ihres Geruchssinns fr brandspezifische Duft-stoffe in den Antennen in Kombination mit einem Infrarot-Grubenorgan am Thorax (rote Pfeile).

Der Elektroantennograph misst die elektrophysiologische Antwort einer isolierten Antenne von M. acuminata auf die Komponenten des Rauchgases. Es konnte gezeigt werden, dass die Antennen von M. acuminata Guajakol-Verbindungen im Rauchgas besonders empfindlich nachweisen knnen (bis 1 pg /ml). Unter Bercksichtigung der aus schwelendem Kiefernholz in Laborversuchen freigesetzten Menge Guajakol konnte abgeschtzt werden, dass ein einziger, auf 2 m Hhe angekohlter Kiefernstamm bei schwachem Wind noch in ber 1 km Entfernung von den Kfern zu riechen ist. Diese Abschtzung konnte in Feldmessungen mit einem tragbaren Elektroantennograph, der mit einer Antenne von M. acuminata ausgestattet war, in der weiteren Umgebung eines Brandversuches (07.08.2001 Reisigwall in der Oberfrsterei Hammer) besttigt werden. EAGEinen greren Waldbrand kann der Kiefernprachtkfer bis auf 50 km riechen

Der Miniatur-Federbalken verbiegt sich, sobald die gesuchte Substanz andocktDie knstliche Nase besteht aus einer Reihe von Silizium-Feder-blkchen ( 500 m lang, 100 m breit, weniger als 1 m dick). Die Blkchen werden auf einer Seite mit Rezeptoren beschichtet. Molekle der gesuchten Substanz docken an der Oberflche an. Die Erhhung der molekularen Packungsdichte auf der Ober-flche fhrt durch Erhhung der Oberflchenspannung zu einer Verbiegung des Siliziumblkchens. Die knstliche Nase von IBM

Werden die Siliziumblkchen mit verschiedenen Rezeptoren beschichtet, knnen verschiedene Substanzen an den entsprechenden Rezeptor-schichten andocken. Die Durchbiegungen in der Grenordnung von 10 bis 20 nm knnen mit einem Laserstrahl gemessen werden. Das Biegungs-muster gibt Auskunft ber die Moleklkomposition.

Piezoelektrisches SubstratOberflchenwelleSenderEmpfngerAkustischer Oberflchenwellen-BiosensorDer Auftrag eines Analyten verndert die Wellengeschwindigkeit

Mechanisches Katalysatormodell

Das Signalmolekl ist zugleich der Katalysator.Das Signalmolekl dockt an ein Helfermolekl an wodurch erst der Katalysator entsteht.Das Helfermolekl stt nach einer gegebene Zeitspanne das angedockte Signalmolekl ab.Verfeinerung des Modells der Signalmolekl-Verstrkung

Endewww.bionik.tu-berlin.de

1. Kupfer ist edler als Zink; d.h. die Lsungstension von Zink ist grer. Deshalb gehen am Kupferstab nur wenige Kupferionen in die Lsung, whrend sich am Zinkstab viele Zinkionen ablsen und ihre Elektronen im Metall zurcklassen. Die Kupferelektrode ist deshalb positiver geladen als der Zinkstab, d.h. es baut sich eine Spannung auf.

2. Die berschssigen Elektronen im Zink wandern ber einen Leitenden Draht vom Zink zum Kupfer. Dabei lsst sich eine Spannung von 1,11 Volt messen.

3. Die gelsten Kupferionen nehmen die Elektronen auf und lagern sich als metallisches Kupfer an der Elektrode ab.

4. Wenn sich Kupferionen am Metallstab abscheiden entsteht ein berschuss an Sulfationen. Der osmotische Druck lsst die Sulfationen durch die semipermeable Membran auf die Zinkseite berwechseln. Der Stromkreis schliet sich.