Elektrochemische Biosensoren

Elektrochemische Biosensoren nutzen die natürlichen Redoxeigenschaften vieler biologischer Prozesse, wie z. B. der Enzymkatalyse und anderer Bindungsereignisse. Elektrochemische Sensoren verwenden Elektroden, die häufig mit redoxaktiven Enzymen funktionalisiert sind. Wenn das Zielmolekül an einer Reaktion mit dem Enzym beteiligt ist, wird der Gewinn oder Verlust von Elektronen gemessen und mit der Konzentration in Beziehung gesetzt. In diesem Video werden wir die Prinzipien der elektrochemischen Sensorik überprüfen und dann die Grundlagen eines elektrochemischen Beispielsensors, des Blutzucker-Biosensors, beschreiben.

Lassen Sie uns zunächst auf die allgemeinen Konzepte hinter einem elektrochemischen Biosensor eingehen. Wie klassische elektrochemische Zellen bestehen diese Sensoren in der Regel aus drei Elektroden: der Arbeitselektrode, der Gegenelektrode und der Referenzelektrode. Die Reaktion findet an der Arbeitselektrode statt, während die Gegenelektrode den Stromkreis vervollständigt. Die Referenzelektrode stellt einen stabilen Referenzpunkt für das Redoxpotential dar. Die Auswahl der Elektrodenmaterialien erfolgt in Abhängigkeit von der Art des Sensors, dem zu detektierenden Analyten und der verwendeten Messtechnik. Um die Spezifität des Zielmoleküls zu erhöhen, wird das Bioerkennungselement, wie z. B. komplementäre Enzyme, Antikörper oder einzelsträngige DNA, auf der Elektrodenoberfläche immobilisiert und zum Einfangen des entsprechenden Zielmoleküls verwendet. Dann wird ein elektrisches Signal angelegt, das die Reduktion oder Oxidation des Targets zur Folge hat. Dadurch entsteht entweder ein Überschuss oder ein Defizit an Elektronen, was nachgewiesen wird. Schauen wir uns nun am Beispiel der klassischen Drei-Elektroden-Zelle an, wie elektrochemische Sensoren dieses Redoxereignis messen.

Elektrochemische Systeme werden in verschiedene Kategorien unterteilt: amperometrisch, potentiometrisch und impedimetrisch, basierend auf der Art des gemessenen Ausgangssignals. Amperometrische Geräte messen die Änderung der Ströme zwischen der Arbeits- und der Gegenelektrode, wenn die Spannung bekannt ist. Der Spannungseingang wird entweder auf einem konstanten Wert oder als lineare Rampe gehalten oder kontinuierlich zwischen zwei Werten zyklisiert. Die gemessene Oxidations- oder Reduktionsstromänderung ist direkt proportional zur Analytkonzentration. Weitere Informationen zu dieser Technik finden Sie in unserem Video zur zyklischen Voltammetrie.

Potentiometrische Geräte messen die Spannungsänderung zwischen Arbeits- und Referenzelektrode bei konstantem Strom. Die Konzentration der Lösung kann dann anhand der Potentialänderung berechnet werden.

Schließlich messen impedimetrische Geräte die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit der Analytlösung. Durch Messung der Stromänderung zwischen der Arbeits- und der Gegenelektrode über die Zeit bei einer bekannten Eingangsfrequenz der Wechselstromspannung. Aus diesem Strom in Spannung wird die Impedanz der Analytlösung berechnet. Diese Impedanz nimmt ab, wenn die elektrische Leitfähigkeit der Analytlösung zunimmt, und nimmt zu, wenn die elektrische Leitfähigkeit der Analytlösung abnimmt.

Nachdem wir uns einen Überblick über die Prinzipien und die verschiedenen Arten der elektrochemischen Sensorik gegeben haben, schauen wir uns nun die Funktionsweise eines elektrochemischen Biosensors an, am Beispiel des tragbaren Blutzuckersensors. Die derzeitige tägliche Messung des Blutzuckerspiegels zu Hause wird mit Elektroden durchgeführt, die im Siebdruckverfahren auf Einwegstreifen gedruckt werden. Diese Elektrodenstreifen oder Schaltkreise werden dann mit der Enzym- und Mediatorschicht, einer Flüssigkeitsdochtschicht und einer Schutzfolie für Schaltkreise beschichtet, die alle durch dünne Klebefolien und Abstandshalter zusammengehalten werden. Die feuchtigkeitsableitende Schicht des Streifens hilft bei der Trennung der Blutzellen, so dass nur das Blutserum die mit Enzymen und Mediatoren bedeckten Elektroden erreicht. Schließlich wird zwischen den Elektroden eine Spannung angelegt, die die Glukoseenzym-Mediator-Redoxreaktion an der immobilisierten Mediator-Enzym-Schicht auslöst. Glukose im Blutserum wird in Gluconsäure umgewandelt, während das Enzym Glukoseoxidase reduziert wird. Das reduzierte Enzym kehrt in seinen oxidierten Zustand zurück, indem es die Elektronen an das Mediatormolekül verliert und so den Mediator reduziert. Nun fungiert dieser reduzierte Mediator als Shuttle für die Elektronen zwischen der Mediator-Enzym-Schicht und der darunter liegenden Elektrodenschicht;? Es verliert die Elektronen an der Elektrodenoberfläche und wird oxidiert, wodurch Strom an der Elektrode erzeugt wird. Dieser Stromanstieg, gemessen bei einem bestimmten Potential, ist direkt proportional zur Glukosekonzentration in der Probe.

Nachdem wir die Elektrochemie der Glukoseoxidase überprüft haben, werfen wir einen kurzen Blick auf den Glukosesensor, der bei einem Patienten verwendet wird. Das Blut für diesen Test wird mit einer Sicherheitslanzette entnommen. Dann wird das gesammelte Blut für eine genaue Untersuchung sorgfältig auf dem Blutentnahmebereich des Einwegstreifens aufgefleckt. Das Glukosemessgerät zählt die Elektronen, die der Mediator an den Elektroden ablagert, als Strom und berechnet dann, wie viel Glukose benötigt wurde, um so viel Strom zu erzeugen. Das Blutzuckermessgerät zeigt diese Zahl dann auf seinem Bildschirm an.

Nachdem wir nun die Prinzipien und das Verfahren hinter Blutzuckersensoren behandelt haben, wollen wir uns ansehen, wie die Forschung elektrochemische Biosensorik in einigen anderen Bereichen anwendet. Elektrochemische Sensorik kann auch zur Erkennung von Krebs eingesetzt werden. In einem Sensorsystem werden Krebsprotein-spezifische Antikörper auf der Oberfläche von magnetischen Kügelchen immobilisiert, die in der Probenlösung inkubiert werden, gefolgt von einer zweiten Redox-Aktivdetektor-Antikörperlösung, die ebenfalls komplementär zum Ziel ist. Die Kügelchen werden dann mit Hilfe von Magnetfeldern auf einer Elektrodenoberfläche eingefangen, und es werden amperometrische Messungen durchgeführt, um die Krebsproteinkonzentration in der Probe zu ermitteln.

Schließlich wird die Elektrochemie auch mit Mikroorganismen zur Stromerzeugung eingesetzt, die sogenannten bioelektrochemischen Brennstoffzellen. Die Mikroorganismen werden kultiviert, um einen Film auf der Anoden- oder Kathodenoberfläche der Brennstoffzelle zu bilden. Die redoxaktiven Proteine in den Mikroben sind an den Redoxreaktionen der Elektroden beteiligt, die Elektronen erzeugen und Energie erzeugen, die für andere Anwendungen nutzbar gemacht wird.

Sie haben gerade das Video von Juve über elektrochemische Biosensorik gesehen. Dieses Video enthielt einen grundlegenden Überblick über die wichtigsten Prinzipien elektrochemischer Biosensoren und erklärte die Funktionsweise des Blutzuckersensors im Detail. Abschließend haben wir einige reale Anwendungen der elektrochemischen Biosensorik veranschaulicht. Danke fürs Zuschauen.