Biosensor

Ein Biosensor (oder Nanobiosensor im Nanomaßstab ) ist ein Analysegerät zum Nachweis chemischer Substanzen, das eine biologische Komponente mit einem physikalisch-chemischen Detektor kombiniert. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

Das sensitive biologische Element , z. B. Gewebe, Mikroorganismen, Organellen , Zellrezeptoren , Enzyme , Antikörper , Nukleinsäuren usw., ist ein biologisch gewonnenes Material oder eine biomimetische Komponente, die mit dem zu untersuchenden Analyten interagiert, ihn bindet oder erkennt. Biologisch sensitive Elemente können auch biotechnologisch hergestellt werden . Im Gegensatz dazu arbeitet der Transducer oder das Detektorelement , das ein Signal in ein anderes umwandelt, auf physikalisch-chemischer Ebene: optisch, piezoelektrisch , elektrochemisch, elektrochemilumineszent usw. – basierend auf der Wechselwirkung des Analyten mit dem biologischen Element –, um eine einfache Messung und Quantifizierung zu ermöglichen.

Das Lesegerät für Biosensoren ist mit der zugehörigen Elektronik oder den Signalprozessoren verbunden, die primär für die benutzerfreundliche Darstellung der Ergebnisse verantwortlich sind. ^{[ 6 ]} Dies stellt mitunter den teuersten Teil des Sensorgeräts dar. Es ist jedoch möglich, eine benutzerfreundliche Anzeige zu realisieren, die einen Wandler und ein empfindliches Element ( holografischer Sensor ) umfasst. Die Lesegeräte werden üblicherweise kundenspezifisch entwickelt und gefertigt, um den unterschiedlichen Funktionsprinzipien der Biosensoren gerecht zu werden.

Ein Biosensor besteht typischerweise aus einem Biorezeptor (Enzym/Antikörper/Zelle/Nukleinsäure/Aptamer), einer Wandlerkomponente (Halbleitermaterial/Nanomaterial) und einem elektronischen System mit Signalverstärker , Prozessor und Display. ^{[ 7 ]} Wandler und Elektronik können kombiniert werden, z. B. in CMOS -basierten Mikrosensorsystemen. ^{[ 8 ] [ 9 ]} Die Erkennungskomponente, oft auch Biorezeptor genannt, nutzt Biomoleküle aus Organismen oder nach biologischen Systemen modellierte Rezeptoren, um mit dem zu analysierenden Stoff zu interagieren. Diese Interaktion wird vom Biotransduktor gemessen, der ein messbares Signal ausgibt, das proportional zur Konzentration des Zielanalyten in der Probe ist. Das allgemeine Ziel der Entwicklung eines Biosensors ist es, schnelle und bequeme Tests direkt am Ort der Probenentnahme zu ermöglichen. ^{[ 2 ] [ 10 ] [ 11 ]}

In einem Biosensor ist der Biorezeptor so konzipiert, dass er mit dem spezifischen Analyten von Interesse interagiert und dadurch einen vom Transducer messbaren Effekt erzeugt. Eine hohe Selektivität für den Analyten in einer Matrix anderer chemischer oder biologischer Komponenten ist eine zentrale Anforderung an den Biorezeptor. Obwohl die Art des verwendeten Biomoleküls stark variieren kann, lassen sich Biosensoren anhand gängiger Biorezeptor-Interaktionen klassifizieren, darunter: Antikörper/Antigen, ^{[ 12 ]} Enzyme/Liganden, Nukleinsäuren/DNA, zelluläre Strukturen/Zellen oder biomimetische Materialien. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

Ein Immunosensor nutzt die sehr spezifische Bindungsaffinität von Antikörpern zu einer bestimmten Verbindung oder einem Antigen . Die spezifische Natur der Antikörper-Antigen-Wechselwirkung ist vergleichbar mit dem Schlüssel-Schloss-Prinzip: Das Antigen bindet nur dann an den Antikörper, wenn dieser die korrekte Konformation aufweist. Bindungsereignisse führen zu einer physikochemischen Veränderung, die in Kombination mit einem Tracer, wie beispielsweise fluoreszierenden Molekülen, Enzymen oder Radioisotopen, ein Signal erzeugen kann. Die Verwendung von Antikörpern in Sensoren ist jedoch mit Einschränkungen verbunden: 1. Die Bindungskapazität der Antikörper hängt stark von den Testbedingungen (z. B. pH-Wert und Temperatur) ab, und 2. die Antikörper-Antigen-Wechselwirkung ist zwar im Allgemeinen robust, kann aber durch chaotrope Reagenzien, organische Lösungsmittel oder sogar Ultraschallstrahlung gestört werden. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

Antikörper-Antigen-Interaktionen können auch für serologische Tests , also den Nachweis zirkulierender Antikörper als Reaktion auf eine spezifische Erkrankung , genutzt werden . Serologische Tests haben sich als wichtiger Bestandteil der globalen Reaktion auf die COVID-19-Pandemie erwiesen . ^{[ 17 ]}

Die Verwendung von Antikörpern als Biorezeptorkomponente von Biosensoren weist mehrere Nachteile auf. Sie besitzen ein hohes Molekulargewicht und eine begrenzte Stabilität, enthalten essentielle Disulfidbrücken und sind teuer in der Herstellung. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurden rekombinante Bindungsfragmente ( Fab , Fv oder scFv ) oder Domänen (VH, VHH ) von Antikörpern entwickelt. ^{[ 18 ]} Ein anderer Ansatz basiert auf der Entwicklung kleiner Proteingerüste mit günstigen biophysikalischen Eigenschaften, um künstliche Familien von Antigen-bindenden Proteinen (AgBP) zu generieren. Diese können spezifisch an verschiedene Zielproteine ​​binden und behalten dabei die vorteilhaften Eigenschaften des Ausgangsmoleküls bei. Die Elemente der Familie, die spezifisch an ein bestimmtes Zielantigen binden, werden häufig in vitro mittels Display-Techniken selektiert: Phagen-Display , Ribosomen-Display , Hefe-Display oder mRNA-Display . Die künstlichen Bindungsproteine ​​sind deutlich kleiner als Antikörper (üblicherweise weniger als 100 Aminosäurereste), weisen eine hohe Stabilität auf, besitzen keine Disulfidbrücken und können im Gegensatz zu Antikörpern und deren Derivaten in reduzierenden zellulären Umgebungen wie dem bakteriellen Zytoplasma in hoher Ausbeute exprimiert werden. ^{[ 19 ] [ 20 ]} Daher eignen sie sich besonders gut zur Herstellung von Biosensoren. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

Die spezifischen Bindungseigenschaften und die katalytische Aktivität von Enzymen machen sie zu beliebten Biorezeptoren. Die Analyterkennung erfolgt über verschiedene Mechanismen: 1) Umwandlung des Analyten durch das Enzym in ein sensorisch detektierbares Produkt, 2) Detektion der Enzymhemmung oder -aktivierung durch den Analyten oder 3) Überwachung von Veränderungen der Enzymeigenschaften infolge der Wechselwirkung mit dem Analyten. ^{[ 16 ]} Die Hauptgründe für die häufige Verwendung von Enzymen in Biosensoren sind: 1) ihre Fähigkeit, eine Vielzahl von Reaktionen zu katalysieren; 2) ihr Potenzial, eine Gruppe von Analyten (Substrate, Produkte, Inhibitoren und Modulatoren der katalytischen Aktivität) zu detektieren; und 3) ihre Eignung für verschiedene Transduktionsmethoden zur Analytdetektion. Da Enzyme in Reaktionen nicht verbraucht werden, kann der Biosensor problemlos kontinuierlich eingesetzt werden. Die katalytische Aktivität von Enzymen ermöglicht zudem niedrigere Nachweisgrenzen im Vergleich zu herkömmlichen Bindungstechniken. Die Lebensdauer des Sensors ist jedoch durch die Stabilität des Enzyms begrenzt.

Antikörper besitzen eine hohe Bindungskonstante von über 10⁸ L/mol, was auf eine nahezu irreversible Assoziation nach Bildung des Antigen-Antikörper-Paares hindeutet. Für bestimmte Analytenmoleküle wie Glucose existieren Affinitätsbindungsproteine, die ihren Liganden mit hoher Spezifität, ähnlich einem Antikörper, binden, jedoch mit einer deutlich geringeren Bindungskonstante in der Größenordnung von 10² bis 10⁴ L/mol. Die Assoziation zwischen Analyt und Rezeptor ist somit reversibel , und neben dem Komplex liegen auch freie Moleküle beider in messbarer Konzentration vor. Im Fall von Glucose kann beispielsweise Concanavalin A als Affinitätsrezeptor mit einer Bindungskonstante von 4 × 10² L/mol fungieren. ^{[ 23 ]} Die Verwendung von Affinitätsbindungsrezeptoren für Biosensorik wurde 1979 von Schultz und Sims vorgeschlagen ^{[ 24 ]} und später in einen Fluoreszenztest zur Messung von Glucose im relevanten physiologischen Bereich zwischen 4,4 und 6,1 mmol/L integriert. ^{[ 25 ]} Das Sensorprinzip hat den Vorteil, dass es den Analyten nicht in einer chemischen Reaktion verbraucht, wie es bei enzymatischen Tests der Fall ist.

Biosensoren mit Nukleinsäure-basierten Rezeptoren lassen sich in Genosensoren (basierend auf komplementären Basenpaarungsinteraktionen) und Aptasensoren (basierend auf spezifischen Nukleinsäure-basierten Antikörper-Mimetika, Aptameren) unterteilen. ^{[ 26 ]} Bei Genosensoren beruht die Erkennung auf dem Prinzip der komplementären Basenpaarung (Adenin:Thymin und Cytosin:Guanin in der DNA) . Ist die Zielnukleinsäuresequenz bekannt, können komplementäre Sequenzen synthetisiert, markiert und anschließend auf dem Sensor immobilisiert werden. Die Hybridisierung kann optisch detektiert und das Vorhandensein der Ziel-DNA/RNA bestätigt werden. Bei Aptasensoren erkennen gegen das Zielmolekül gerichtete Aptamere dieses durch das Zusammenspiel spezifischer nicht-kovalenter Wechselwirkungen und induzierter Bindung. Diese Aptamere lassen sich leicht mit Fluorophoren oder Metallnanopartikeln für die optische Detektion markieren oder für markierungsfreie elektrochemische oder auf Cantilevern basierende Detektionsplattformen für eine Vielzahl von Zielmolekülen oder komplexen Zielstrukturen wie Zellen und Viren einsetzen. ^{[ 27 ] [ 28 ]} Darüber hinaus können Aptamere mit Nukleinsäureenzymen, wie z. B. RNA-spaltenden DNAzymen, kombiniert werden, wodurch sowohl die Zielerkennung als auch die Signalgenerierung in einem einzigen Molekül ermöglicht werden, was potenzielle Anwendungen bei der Entwicklung von Multiplex-Biosensoren eröffnet. ^{[ 29 ]}

Es wurde vorgeschlagen, optimierte integrierte optische Resonatoren zur Detektion epigenetischer Modifikationen (z. B. DNA-Methylierung, posttranslationale Histonmodifikationen) in Körperflüssigkeiten von Patienten mit Krebs oder anderen Erkrankungen einzusetzen. ^{[ 30 ]} Hochempfindliche photonische Biosensoren werden derzeit im Rahmen von Forschungsarbeiten entwickelt, um Krebszellen im Urin von Patienten einfach nachzuweisen. ^{[ 31 ]} Verschiedene Forschungsprojekte zielen auf die Entwicklung neuer tragbarer Geräte ab, die kostengünstige, umweltfreundliche Einwegkartuschen verwenden und sich durch einfache Handhabung ohne weitere Verarbeitung, Reinigung oder Manipulation durch Fachpersonal auszeichnen. ^{[ 32 ]}

Organellen bilden separate Kompartimente innerhalb von Zellen und erfüllen ihre Funktionen in der Regel unabhängig voneinander. Verschiedene Organellenarten verfügen über unterschiedliche Stoffwechselwege und enthalten Enzyme, die für ihre jeweilige Funktion notwendig sind. Zu den häufig verwendeten Organellen zählen Lysosomen, Chloroplasten und Mitochondrien. Das räumlich-zeitliche Verteilungsmuster von Calcium ist eng mit ubiquitären Signalwegen verknüpft. Mitochondrien sind aktiv am Calciumionenstoffwechsel beteiligt, um Funktionen zu regulieren und calciumbezogene Signalwege zu modulieren. Experimente haben gezeigt, dass Mitochondrien auf hohe Calciumkonzentrationen in ihrer Umgebung reagieren können, indem sie Calciumkanäle öffnen. ^{[ 33 ]} Dadurch können Mitochondrien zur Bestimmung der Calciumkonzentration in Medien eingesetzt werden, wobei die Messung aufgrund der hohen räumlichen Auflösung sehr empfindlich ist. Eine weitere Anwendung von Mitochondrien ist die Erkennung von Wasserverschmutzung. Die Toxizität von Detergenzien schädigt Zellen und subzelluläre Strukturen, einschließlich der Mitochondrien. Detergenzien verursachen einen Quellungseffekt, der durch eine Absorptionsänderung gemessen werden kann. Experimentelle Daten zeigen, dass die Änderungsrate proportional zur Detergenskonzentration ist, was einen hohen Standard für die Detektionsgenauigkeit darstellt. ^{[ 34 ]}

Zellen werden häufig in Biorezeptoren eingesetzt, da sie empfindlich auf ihre Umgebung reagieren und auf verschiedenste Stimuli reagieren können. Sie haften tendenziell an Oberflächen und lassen sich daher leicht immobilisieren. Im Vergleich zu Organellen bleiben sie länger aktiv, und ihre Reproduzierbarkeit ermöglicht ihre Wiederverwendbarkeit. Sie werden häufig zur Detektion globaler Parameter wie Stresszustände, Toxizität und organische Derivate verwendet. Auch zur Überwachung der Wirkung von Medikamenten können sie eingesetzt werden. Eine Anwendung ist die Bestimmung von Herbiziden, die zu den Hauptverunreinigungen aquatischer Gewässer zählen. ^{[ 35 ]} Mikroalgen werden auf einer Quarzmikrofaser fixiert , und die durch Herbizide veränderte Chlorophyllfluoreszenz wird an der Spitze eines optischen Faserbündels aufgefangen und an ein Fluorimeter übertragen. Die Algen werden kontinuierlich kultiviert, um optimale Messergebnisse zu erzielen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Nachweisgrenze bestimmter Herbizide im Sub-ppb-Bereich liegen kann. Einige Zellen können auch zur Überwachung mikrobieller Korrosion eingesetzt werden. ^{[ 36 ]} Pseudomonas sp. Die Zellen werden von der Oberfläche korrodierten Materials isoliert und auf einer Acetylcellulosemembran immobilisiert. Die Atmungsaktivität wird durch Messung des Sauerstoffverbrauchs bestimmt. Es besteht ein linearer Zusammenhang zwischen dem erzeugten Strom und der Schwefelsäurekonzentration . Die Ansprechzeit hängt von der Zellbeladung und der Umgebung ab und kann auf maximal 5 Minuten eingestellt werden.

Gewebe werden aufgrund der darin enthaltenen Enzyme als Biosensoren verwendet. Zu den Vorteilen von Gewebe als Biosensoren gehören folgende: ^{[ 37 ]}

• leichter zu immobilisieren als Zellen und Organellen.
• die höhere Aktivität und Stabilität durch die Erhaltung von Enzymen in der natürlichen Umgebung
• die Verfügbarkeit und der niedrige Preis
• die Vermeidung der mühsamen Arbeit der Extraktion, Zentrifugation und Reinigung von Enzymen
• Es existieren notwendige Cofaktoren, damit ein Enzym funktionieren kann.
• Die Vielfalt bietet eine breite Palette an Wahlmöglichkeiten hinsichtlich verschiedener Ziele.

Es gibt aber auch Nachteile von Geweben, wie die mangelnde Spezifität aufgrund der Interferenz anderer Enzyme und die längere Reaktionszeit aufgrund der Transportbarriere.

Mikrobielle Biosensoren nutzen die Reaktion von Bakterien auf eine bestimmte Substanz. So kann beispielsweise Arsen mithilfe des in verschiedenen Bakterientaxa vorkommenden ars-Operons nachgewiesen werden. ^{[ 38 ]}

Ein wichtiger Bestandteil eines Biosensors ist die Anbindung der biologischen Elemente (kleine Moleküle/Proteine/Zellen) an die Sensoroberfläche (Metall, Polymer oder Glas). Am einfachsten lässt sich dies durch Funktionalisierung der Oberfläche erreichen, um sie mit den biologischen Elementen zu beschichten. Dies kann beispielsweise mit Polylysin, Aminosilan, Epoxysilan oder, im Falle von Siliziumchips/Quarzglas, mit Nitrocellulose erfolgen. Anschließend kann das gebundene biologische Agens fixiert werden – beispielsweise durch schichtweises Aufbringen von abwechselnd geladenen Polymerbeschichtungen. ^{[ 39 ]}

Alternativ können dreidimensionale Gitterstrukturen ( Hydrogel / Xerogel ) verwendet werden, um diese chemisch oder physikalisch einzuschließen (wobei bei chemischem Einschluss das biologische Element durch eine starke Bindung fixiert wird, während es bei physikalischem Einschluss durch die Poren der Gelmatrix am Durchtritt gehindert wird). Das am häufigsten verwendete Hydrogel ist Sol-Gel , ein glasartiges Siliciumdioxid, das durch Polymerisation von Silikatmonomeren (zugesetzt als Tetraalkylorthosilicate wie TMOS oder TEOS ) in Gegenwart der biologischen Elemente (sowie weiterer stabilisierender Polymere wie PEG im Falle des physikalischen Einschlusses) entsteht. ^{[ 40 ]}

Eine weitere Gruppe von Hydrogelen, die unter für Zellen oder Proteine ​​geeigneten Bedingungen aushärten, sind Acrylathydrogele , die durch radikalische Initiierung polymerisieren . Ein Radikalinitiator ist ein Peroxidradikal , das typischerweise durch die Kombination von Persulfat mit TEMED erzeugt wird ( Polyacrylamidgel wird auch häufig für die Proteinelektrophorese verwendet ) ^{[ 41 ]} . Alternativ kann Licht in Kombination mit einem Photoinitiator wie DMPA ( 2,2-Dimethoxy-2-phenylacetophenon ) eingesetzt werden ^{[ 42 ]} . Intelligente Materialien, die die biologischen Komponenten eines Sensors nachahmen, können ebenfalls als Biosensoren klassifiziert werden, indem sie nur das aktive oder katalytische Zentrum oder analoge Konfigurationen eines Biomoleküls nutzen ^{[ 43 ] .}

Biosensoren lassen sich anhand ihres Biotransduktortyps klassifizieren . Die gebräuchlichsten Biotransduktortypen in Biosensoren sind:

• elektrochemische Biosensoren
• optische Biosensoren
• elektronische Biosensoren
• piezoelektrische Biosensoren
• gravimetrische Biosensoren
• pyroelektrische Biosensoren
• magnetische Biosensoren

Elektrochemische Biosensoren vereinen die hohe Selektivität biologischer Erkennungselemente mit der hohen Empfindlichkeit und den schnellen Reaktionszeiten der elektrochemischen Transduktion. Um ihren Aufbau und ihre Anwendung zu verstehen, können diese Systeme systematisch anhand ihrer elektrischen Messtechniken und ihrer Biorecognitionsmechanismen kategorisiert werden. ^{[ 44 ]}

Elektrochemische Biosensoren lassen sich grob in aktive Verfahren (die dem System eine Strom- oder Spannungsänderung aufzwingen, um eine dynamische Reaktion zu messen) und passive Verfahren (die ein System im Gleichgewicht oder unter Ruhebedingungen messen) unterteilen . ^{[ 45 ]}

• Amperometrische und voltammetrische Biosensoren: Diese Systeme legen an eine Arbeitselektrode ein kontrolliertes elektrisches Potenzial relativ zu einer Referenzelektrode an. Dieses Potenzial treibt eine Oxidations- oder Reduktionsreaktion einer elektroaktiven Spezies an der Elektrodenoberfläche an. Der resultierende Strom ist direkt proportional zur Konzentration des Zielanalyten.
  • Drei-Elektroden-Konfiguration: Dies ist der traditionelle Laborstandard. Er verwendet eine Arbeitselektrode (an der die spezifische Bioreaktion stattfindet), eine Referenzelektrode (die ein stabiles, bekanntes Potenzial aufrechterhält) und eine Gegen-/Hilfselektrode (die den Strom leitet, sodass kein signifikanter Strom durch die Referenzelektrode fließt und deren Stabilität erhalten bleibt).
  • Zwei-Elektroden-Konfiguration: Obwohl Drei-Elektroden-Systeme eine überlegene Potentialkontrolle bieten, sind amperometrische Zwei-Elektroden-Sensoren äußerst erfolgreich, robust und in kommerziellen Point-of-Care-Geräten (wie z. B. digitalen Blutzuckermessgeräten) weit verbreitet. Durch moderne Mikrofertigung und Siebdruck auf Kunststoffsubstraten werden Zähler- und Referenzfunktion in einer einzigen, großflächigen Pseudo-Referenzelektrode kombiniert. Dies vereinfacht die Herstellung erheblich und gewährleistet gleichzeitig eine exzellente Präzision bei kleinen Probenvolumina. Impedimetrische Biosensoren
  • (Elektrochemische Impedanzspektroskopie – EIS): EIS-Sensoren legen eine kleine Wechselspannung über einen Frequenzbereich an und messen den Widerstand des Systems gegen den Stromfluss (Impedanz). Diese Sensoren reagieren sehr empfindlich auf physikalische und chemische Veränderungen an der Sensoroberfläche – wie beispielsweise molekulare Bindungsereignisse, die den Ionentransport blockieren.
  • Fortschrittliche Designs nutzen spezielle Geometrien wie interdigitale Elektroden (IDEs), um den Oberflächenkontakt zu maximieren, oder integrieren elektrochemische Vier-Elektroden-Zellen in Kombination mit nanoporösen Membranen (z. B. Aluminiumoxid), um unglaublich niedrige Konzentrationen von Zielproteinen (wie z. B. menschliches Alpha-Thrombin) selbst in dichten, komplexen Umgebungen wie Serumalbumin nachzuweisen.
• Feldeffekttransistor-Biosensoren (FET-Biosensoren): FET-basierte Biosensoren arbeiten mittels direkter elektrischer Detektion. Biologische Erkennungselemente werden auf der Gate-Region eines Transistors immobilisiert. Bindet der Zielanalyt an das Gate, verändert seine intrinsische elektrische Ladung das elektrische Feld im Halbleiterkanal und damit den Drain-Source-Strom. Dies ermöglicht den markierungsfreien, hochempfindlichen Nachweis kleiner Peptide, DNA und Proteine. Eine Untergruppe dieser Technologie bilden biofunktionalisierte ionensensitive Feldeffekttransistoren (BioFETs/ISFETs) , die hochsensitiv auf Raumladungsänderungen an der Grenzfläche reagieren.

• Potentiometrische Biosensoren: Diese Sensoren messen die elektrische Potenzialdifferenz zwischen einer Arbeitselektrode und einer Referenzelektrode im Nullstromzustand . Da sich das System im Gleichgewicht befindet, ist die erzeugte Spannung raumladungsabhängig und zeigt ein logarithmisches Ansprechverhalten in Abhängigkeit von der Analytkonzentration (bestimmt durch die Nernst-Gleichung). Dadurch weisen potentiometrische Sensoren einen außergewöhnlich großen dynamischen Bereich auf. Sie werden häufig durch Siebdruck von Elektrodenmustern auf flexible Kunststoffsubstrate hergestellt, die mit einer leitfähigen Polymerschicht beschichtet sind. Variationen der Ionenstärke, des pH-Werts, des Hydratationsgrades oder lokale Redoxreaktionen an der Oberfläche verändern die Ladungsverteilung des leitfähigen Polymers. Dies führt zu einem äußerst robusten und kostengünstigen Sensor, der nur eine minimale Probenvorbereitung erfordert.

Ungeachtet der verwendeten elektrischen Auslesetechnik hängt die Spezifität des Biosensors ausschließlich von seiner biologischen Schicht ab.

• Enzymatische Biosensoren: Diese nutzen die katalytischen Eigenschaften spezifischer Enzyme. Am häufigsten werden Redoxenzyme eingesetzt, um durch den enzymatischen Umsatz eines Substrats direkt oder indirekt Elektronen zu verbrauchen oder zu erzeugen. Beispielsweise kann das Enzym ein elektroaktives Nebenprodukt (wie Wasserstoffperoxid) bilden, das dann an einer amperometrischen Arbeitselektrode oxidiert wird, um einen Strom zu erzeugen.
• Affinitätsbasierte Biosensoren (Immunosensoren und Aptasensoren): Anstatt eine chemische Reaktion auszulösen, beruhen diese Sensoren auf der rein physikalischen, hochaffinen Bindung zwischen einem Rezeptor und einem Zielmolekül.
  • Antikörper (Immunosensoren): Sie nutzen die hochspezifische Schlüssel-Schloss-Bindung eines Antikörpers an sein Antigen. Die Bindung löst typischerweise eine Änderung der Oberflächenimpedanz aus oder verschiebt den Basisstrom bzw. die Basisspannung über ein daran gebundenes Enzym.
  • Aptamere (Aptasensoren): Sie nutzen künstlich hergestellte, einzelsträngige Oligonukleotide (DNA oder RNA), die sich zu einzigartigen 3D-Strukturen falten, um spezifische Zielmoleküle zu binden. Aptamere bieten gegenüber Antikörpern deutliche Vorteile, darunter eine höhere thermische Stabilität, geringere Produktionskosten und eine einfachere chemische Modifizierung zur nahtlosen Integration auf leitfähige Polymerschichten.

Durch die Kombination einer optimierten Messtechnik (wie beispielsweise eines vereinfachten amperometrischen Zwei-Elektroden-Systems oder eines logarithmischen potentiometrischen Aufbaus) mit einem geeigneten Biorezeptorelement können moderne elektrochemische Biosensoren die analytische Empfindlichkeit erreichen, die bisher nur mit aufwendigen, laborgebundenen Techniken wie HPLC und LC/MS möglich war, und das alles bei gleichzeitiger Beibehaltung eines portablen Arbeitsablaufs ohne Probenvorbereitung.

Die Verwendung von Ionenkanälen ermöglicht den hochempfindlichen Nachweis biologischer Zielmoleküle. ^{[ 46 ]} Durch Einbetten der Ionenkanäle in unterstützte oder verankerte Lipiddoppelschichten (t-BLM), die an eine Goldelektrode gebunden sind, entsteht ein elektrischer Schaltkreis. An den Ionenkanal können Fangmoleküle wie Antikörper gebunden werden, sodass die Bindung des Zielmoleküls den Ionenfluss durch den Kanal steuert. Dies führt zu einer messbaren Änderung der elektrischen Leitfähigkeit, die proportional zur Konzentration des Zielmoleküls ist.

Ein Ionenkanal-Schalter-Biosensor (ICS-Biosensor) kann mithilfe von Gramicidin, einem dimeren Peptidkanal, in einer fixierten Doppelschichtmembran hergestellt werden. ^{[ 47 ]} Ein Gramicidin-Peptid mit gebundenem Antikörper ist beweglich, das andere fixiert. Durch das Aufbrechen des Dimers wird der Ionenstrom durch die Membran unterbrochen. Die Stärke der Änderung des elektrischen Signals wird deutlich erhöht, indem die Membran mithilfe eines hydrophilen Abstandshalters von der Metalloberfläche getrennt wird.

Der quantitative Nachweis einer breiten Palette von Zielsubstanzen, darunter Proteine, Bakterien, Drogen und Toxine, wurde bereits mit verschiedenen Membran- und Fangkonfigurationen demonstriert. ^{[ 48 ] [ 49 ]} Das europäische Forschungsprojekt Greensense entwickelt einen Biosensor für das quantitative Screening von Drogen wie THC, Morphin und Kokain ^{[ 50 ]} in Speichel und Urin.

Ein reagenzienfreier Biosensor kann einen Zielanalyten in einem komplexen biologischen Gemisch ohne zusätzliche Reagenzien überwachen. Daher kann er, immobilisiert auf einem festen Träger, kontinuierlich funktionieren. Ein fluoreszierender Biosensor reagiert auf die Wechselwirkung mit seinem Zielanalyten durch eine Änderung seiner Fluoreszenzeigenschaften. Ein reagenzienfreier fluoreszierender Biosensor (RF-Biosensor) kann durch die Integration eines gegen den Zielanalyten gerichteten biologischen Rezeptors und eines solvatochromen Fluorophors, dessen Emissionseigenschaften von der Beschaffenheit seiner lokalen Umgebung abhängen, in ein einzelnes Makromolekül realisiert werden. Der Fluorophor wandelt das Erkennungsereignis in ein messbares optisches Signal um. Die Verwendung extrinsischer Fluorophore, deren Emissionseigenschaften sich deutlich von denen der intrinsischen Fluorophore von Proteinen, Tryptophan und Tyrosin, unterscheiden, ermöglicht die sofortige Detektion und Quantifizierung des Analyten in komplexen biologischen Gemischen. Die Integration des Fluorophors muss an einer Stelle erfolgen, an der er empfindlich auf die Bindung des Analyten reagiert, ohne die Affinität des Rezeptors zu beeinträchtigen.

Antikörper und künstliche Familien von Antigen-bindenden Proteinen (AgBP) eignen sich hervorragend als Erkennungsmodul für RF-Biosensoren, da sie gegen jedes beliebige Antigen gerichtet werden können (siehe Abschnitt zu Biorezeptoren). Ein allgemeines Verfahren zur Integration eines solvatochromen Fluorophors in ein AgBP, wenn die Atomstruktur des Komplexes mit seinem Antigen bekannt ist, und dessen Umwandlung in einen RF-Biosensor wurde bereits beschrieben. ^{[ 21 ]} Ein Rest des AgBP wird in der Nähe des Antigens im Komplex identifiziert. Dieser Rest wird mittels ortsgerichteter Mutagenese in ein Cystein umgewandelt. Der Fluorophor wird chemisch an das mutierte Cystein gekoppelt. Bei erfolgreicher Konstruktion verhindert der gekoppelte Fluorophor nicht die Bindung des Antigens; diese Bindung schirmt den Fluorophor vor dem Lösungsmittel ab, und er kann durch eine Änderung der Fluoreszenz detektiert werden. Diese Strategie ist auch für Antikörperfragmente anwendbar. ^{[ 51 ] [ 52 ]}

Mangels spezifischer Strukturdaten müssen jedoch andere Strategien angewendet werden. Antikörper und künstliche AgBP-Familien bestehen aus einer Reihe hypervariabler (oder randomisierter) Aminosäurereste in einer spezifischen Subregion des Proteins, die von einem konstanten Polypeptidgerüst gestützt werden. Die Reste, die die Bindungsstelle für ein bestimmtes Antigen bilden, werden aus den hypervariablen Resten ausgewählt. Jedes AgBP dieser Familien lässt sich in einen zielantigenspezifischen RF-Biosensor umwandeln, indem ein solvatochromer Fluorophor an einen der hypervariablen Reste gekoppelt wird, der für die Interaktion mit dem Antigen von geringer oder keiner Bedeutung ist, nachdem dieser Rest durch Mutagenese in Cystein umgewandelt wurde. Konkret besteht die Strategie darin, die Reste der hypervariablen Positionen einzeln auf genetischer Ebene in Cystein zu verändern, einen solvatochromen Fluorophor chemisch an das mutierte Cystein zu koppeln und anschließend die resultierenden Konjugate mit der höchsten Sensitivität (ein Parameter, der sowohl die Affinität als auch die Variation des Fluoreszenzsignals umfasst) zu verwenden. ^{[ 22 ]} Dieser Ansatz ist auch für Familien von Antikörperfragmenten gültig. ^{[ 53 ]}

Nachuntersuchungen haben gezeigt, dass die besten reagenzienfreien Fluoreszenz-Biosensoren dann erzielt werden, wenn der Fluorophor keine nicht-kovalenten Wechselwirkungen mit der Oberfläche des Biorezeptors eingeht, was das Hintergrundsignal erhöhen würde, und wenn er mit einer Bindungstasche auf der Oberfläche des Zielantigens interagiert. ^{[ 54 ]} Die mit den oben genannten Methoden hergestellten HF-Biosensoren können in lebenden Zellen funktionieren und Zielanalyten nachweisen. ^{[ 55 ]}

Magnetische Biosensoren nutzen paramagnetische oder supraparamagnetische Partikel oder Kristalle zur Detektion biologischer Interaktionen. Beispiele hierfür sind Spuleninduktivität, Widerstand oder andere magnetische Eigenschaften. Häufig werden magnetische Nano- oder Mikropartikel eingesetzt. Auf der Oberfläche dieser Partikel befinden sich Biorezeptoren, beispielsweise DNA (komplementär zu einer Sequenz oder Aptameren), Antikörper oder andere Moleküle. Die Bindung des Biorezeptors beeinflusst einige der magnetischen Partikeleigenschaften, die mittels AC-Suszeptometrie ^{[ 56 ]} , Hall-Effekt-Sensor ^{[ 57 ]} , Riesenmagnetowiderstandsmessung ^{[ 58 ]} oder anderen Verfahren gemessen werden können.

Piezoelektrische Sensoren nutzen Kristalle, die sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung elastisch verformen. Eine Wechselspannung erzeugt im Kristall eine stehende Welle mit einer charakteristischen Frequenz. Diese Frequenz hängt stark von den elastischen Eigenschaften des Kristalls ab. Wird ein Kristall mit einem biologischen Erkennungselement beschichtet, führt die Bindung eines (großen) Zielanalyten an einen Rezeptor zu einer Änderung der Resonanzfrequenz und damit zu einem Bindungssignal. Im Modus mit Oberflächenwellen (SAW) lässt sich die Empfindlichkeit deutlich steigern. Dies ist eine spezielle Anwendung der Quarzkristall-Mikrowaage als Biosensor.

Elektrochemilumineszenz (ECL) ist heutzutage eine führende Technik in der Biosensorik. ^{[ 59 ] [ 60 ] [ 61 ]} Da die angeregten Spezies durch einen elektrochemischen Stimulus und nicht durch eine Lichtanregungsquelle erzeugt werden, bietet ECL im Vergleich zur Photolumineszenz ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis bei gleichzeitig minimierten Effekten durch Lichtstreuung und Lumineszenzhintergrund. Insbesondere die Coreaktanten-ECL in gepufferter wässriger Lösung im Bereich positiver Potentiale (Oxidations-Reduktions-Mechanismus) hat die ECL für Immunoassays deutlich verbessert, wie zahlreiche Forschungsanwendungen und die Präsenz bedeutender Unternehmen bestätigen, die kommerzielle Hardware für die Hochdurchsatz-Immunoassay-Analyse in einem jährlich milliardenschweren Markt entwickelt haben.

Thermometrische Biosensoren sind selten.

Der MOSFET wurde zwischen 1955 und 1960 in den Bell Labs entwickelt. ^{[ 62 ] [ 63 ] [ 64 ] [ 65 ] [ 66 ] [ 67 ]} Später erfanden Leland C. Clark und Champ Lyons 1962 den ersten Biosensor. ^{[ 68 ] [ 69 ]} Biosensor-MOSFETs (BioFETs) wurden später entwickelt und werden seither zur Messung physikalischer , chemischer , biologischer und umweltbezogener Parameter eingesetzt. ^{[ 70 ]}

Der erste BioFET war der ionensensitive Feldeffekttransistor (ISFET), der 1970 von Piet Bergveld für elektrochemische und biologische Anwendungen erfunden wurde. ^{[ 71 ] [ 72 ]} Der Adsorptions- FET (ADFET) wurde 1974 von P. F. Cox patentiert , und ein wasserstoffsensitiver MOSFET wurde 1975 von I. Lundstrom, M. S. Shivaraman, C. S. Svenson und L. Lundkvist demonstriert. ^{[ 70 ]} Der ISFET ist ein spezieller MOSFET-Typ mit einem Gate in einem bestimmten Abstand ^{[ 70 ]} , bei dem das Metallgate durch eine ionensensitive Membran, eine Elektrolytlösung und eine Referenzelektrode ersetzt wird . [ 73 ] Der ISFET findet breite ^{Anwendung in der} Biomedizin , beispielsweise beim Nachweis von DNA-Hybridisierung , Biomarkern im Blut , Antikörpern , Glukose , pH- Wert und in der Gentechnik . ^{[ 73 ]}

Mitte der 1980er Jahre wurden weitere BioFETs entwickelt, darunter der Gassensor -FET (GASFET), der Drucksensor- FET (PRESSFET), der chemische Feldeffekttransistor (ChemFET), der Referenz-ISFET (REFET), der enzymmodifizierte FET (ENFET) und der immunologisch modifizierte FET (IMFET). ^{[ 70 ]} Anfang der 2000er Jahre wurden BioFETs wie der DNA-Feldeffekttransistor (DNAFET), der genmodifizierte FET (GenFET) und der Zellpotential- BioFET (CPFET) entwickelt. ^{[ 73 ]}

Die geeignete Platzierung von Biosensoren hängt von ihrem Anwendungsgebiet ab, das sich grob in Biotechnologie , Landwirtschaft , Lebensmitteltechnologie und Biomedizin unterteilen lässt .

In der Biotechnologie kann die Analyse der chemischen Zusammensetzung von Kulturbrühe inline, online, at-line und offline erfolgen. Wie die US-amerikanische Food and Drug Administration ( FDA ) festlegt, wird die Probe bei Inline-Sensoren nicht aus dem Prozessstrom entnommen, während sie bei Online-Messungen aus dem Herstellungsprozess abgeleitet wird. Bei At-line-Sensoren kann die Probe entnommen und in unmittelbarer Nähe des Prozessstroms analysiert werden. ^{[ 74 ]} Ein Beispiel hierfür ist die Überwachung des Laktosegehalts in einer Molkerei. ^{[ 75 ]} Offline-Biosensoren sind bioanalytische Verfahren , die nicht im Feld, sondern im Labor eingesetzt werden. Diese Verfahren finden hauptsächlich Anwendung in der Landwirtschaft, der Lebensmitteltechnologie und der Biomedizin.

In der Medizin werden Biosensoren im Allgemeinen in In-vitro- und In-vivo- Systeme unterteilt. Eine In-vitro -Biosensormessung findet in einem Reagenzglas, einer Kulturschale, einer Mikrotiterplatte oder außerhalb eines lebenden Organismus statt. Der Sensor verwendet einen Biorezeptor und einen Transducer, wie oben beschrieben. Ein Beispiel für einen In-vitro -Biosensor ist ein enzymkonduktometrischer Biosensor zur Blutzuckermessung . Eine Herausforderung besteht darin, einen Biosensor zu entwickeln, der nach dem Prinzip der patientennahen Sofortdiagnostik (Point-of-Care-Testing , POCT) funktioniert , also direkt dort, wo der Test benötigt wird. ^{[ 76 ] [ 77 ]} Die Entwicklung tragbarer Biosensoren gehört zu den entsprechenden Forschungsarbeiten. ^{[ 78 ]} Der Wegfall von Labortests kann Zeit und Kosten sparen. Ein Anwendungsgebiet für einen POCT-Biosensor ist beispielsweise die HIV- Diagnostik in Gebieten, in denen Patienten nur schwer Zugang zu Tests haben. Ein Biosensor kann direkt an den Testort gesendet werden, sodass ein schneller und einfacher Test durchgeführt werden kann.

Ein In-vivo -Biosensor ist ein implantierbares Gerät , das im Körperinneren funktioniert. Biosensor-Implantate müssen selbstverständlich strenge Sterilisationsvorschriften erfüllen, um eine anfängliche Entzündungsreaktion nach der Implantation zu vermeiden. Ein weiteres wichtiges Anliegen ist die Langzeit- Biokompatibilität , d. h. die unschädliche Wechselwirkung mit dem Körpermilieu während der vorgesehenen Nutzungsdauer. ^{[ 80 ]} Ein weiteres Problem ist das Versagen des Geräts. Im Falle eines Versagens muss es entfernt und ersetzt werden, was einen weiteren chirurgischen Eingriff erforderlich macht. Ein Anwendungsbeispiel für einen In-vivo-Biosensor wäre die Insulinüberwachung im Körper, die derzeit noch nicht verfügbar ist.

Die meisten hochentwickelten Biosensor-Implantate wurden für die kontinuierliche Glukosemessung entwickelt. ^{[ 81 ] [ 82 ]} Die Abbildung zeigt ein Gerät mit einem Titangehäuse und einer Batterie, wie sie auch für kardiovaskuläre Implantate wie Herzschrittmacher und Defibrillatoren verwendet wird. ^{[ 79 ]} Die Größe des Geräts wird durch die Batterie bestimmt, die für eine einjährige Lebensdauer ausgelegt ist. Die gemessenen Glukosedaten werden drahtlos im für medizinische Implantate zugelassenen MICS- Frequenzband von 402–405 MHz aus dem Körper übertragen .

Biosensoren können auch in Mobiltelefonsysteme integriert werden, wodurch diese benutzerfreundlich und für eine große Anzahl von Nutzern zugänglich werden. ^{[ 83 ]}

Es gibt zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten für Biosensoren verschiedener Art. Die wichtigsten Voraussetzungen für einen wertvollen Biosensoransatz in Forschung und Praxis sind die Identifizierung eines Zielmoleküls, die Verfügbarkeit eines geeigneten biologischen Erkennungselements und das Potenzial, dass tragbare Einweg-Detektionssysteme in bestimmten Situationen empfindlichen Laborverfahren vorzuziehen sind. Beispiele hierfür sind:

• Glukoseüberwachung bei Diabetespatienten , weitere medizinische und gesundheitsbezogene Ziele,
• Anwendungen im Umweltbereich, z. B. der Nachweis von Pestiziden , der Nachweis und die Bestimmung von Organophosphaten und Verunreinigungen in Flusswasser, wie z. B. Schwermetallionen, ^{[ 84 ]}
• Fernerkundung von luftgetragenen Bakterien , z. B. im Rahmen von Maßnahmen zur Bekämpfung bioterroristischer Aktivitäten,
• Fernerkundung der Wasserqualität in Küstengewässern durch Online-Beschreibung verschiedener Aspekte der Ethologie von Muscheln (biologische Rhythmen, Wachstumsraten, Laich- oder Sterbedaten) in Gruppen verlassener Muscheln auf der ganzen Welt, ^{[ 85 ].}
• Nachweis von Krankheitserregern
• Bestimmung der Konzentrationen toxischer Substanzen vor und nach der Bioremediation ,
• Routinemäßige analytische Messung von Folsäure , Biotin , Vitamin B12 und Pantothensäure als Alternative zum mikrobiologischen Test ,
• Bestimmung von Arzneimittelrückständen in Lebensmitteln, wie z. B. Antibiotika und Wachstumsförderern , insbesondere in Fleisch und Honig,
• Wirkstoffforschung und Bewertung der biologischen Aktivität neuer Verbindungen
• Protein-Engineering in Biosensoren, ^{[ 86 ]} und
• Nachweis toxischer Stoffwechselprodukte wie Mykotoxine .

Ein gängiges Beispiel für einen kommerziellen Biosensor ist der Blutzucker- Biosensor. Er nutzt das Enzym Glucoseoxidase, um Blutzucker abzubauen. Dabei oxidiert es zunächst Glucose und reduziert anschließend mithilfe von zwei Elektronen das FAD (einen Bestandteil des Enzyms) zu FADH₂ _. Dieses wird dann in mehreren Schritten an der Elektrode oxidiert. Der resultierende Strom ist ein Maß für die Glucosekonzentration. In diesem Fall fungiert die Elektrode als Messwandler und das Enzym als biologisch aktive Komponente.

Ein Kanarienvogel im Käfig , wie er von Bergleuten zur Gaswarnung eingesetzt wird, kann als Biosensor betrachtet werden. Viele heutige Biosensoranwendungen funktionieren ähnlich: Sie nutzen Organismen, die auf toxische Substanzen in deutlich geringeren Konzentrationen reagieren, als Menschen sie wahrnehmen können, um vor deren Vorhandensein zu warnen. Solche Geräte können in der Umweltüberwachung ^{[ 85 ]} , zur Spurengasanalyse und in Wasseraufbereitungsanlagen eingesetzt werden.

Kommerziell erhältliche Glukosemessgeräte basieren auf der amperometrischen Glukosemessung mittels Glukoseoxidase , die Glukose oxidiert und dabei Wasserstoffperoxid erzeugt, welches von der Elektrode detektiert wird. Um die Einschränkungen amperometrischer Sensoren zu überwinden, wird intensiv an neuen Messmethoden geforscht, beispielsweise an fluoreszierenden Glukose-Biosensoren . ^{[ 87 ]}

Der interferometrische Reflexionsbildsensor (IRIS) basiert auf den Prinzipien der optischen Interferenz und besteht aus einem Silizium-Siliziumoxid-Substrat, Standardoptik und leistungsschwachen, kohärenten LEDs. Wird Licht durch ein Objektiv geringer Vergrößerung auf das geschichtete Silizium-Siliziumoxid-Substrat gerichtet, entsteht ein interferometrisches Signal. Mit der Ansammlung von Biomasse, die einen ähnlichen Brechungsindex wie Siliziumoxid aufweist, auf der Substratoberfläche ändert sich dieses Signal. Diese Änderung kann mit einer quantifizierbaren Masse korreliert werden. Daaboul et al. erreichten mit IRIS eine markierungsfreie Empfindlichkeit von ca. 19 ng/ml. ^{[ 88 ]} Ahn et al. verbesserten die Empfindlichkeit von IRIS durch eine Massenmarkierungstechnik. ^{[ 89 ]}

Seit seiner Erstveröffentlichung wurde IRIS für verschiedene Funktionen angepasst. Zunächst integrierte IRIS eine Fluoreszenzbildgebungsfunktion in das interferometrische Bildgebungsinstrument, um die Variabilität von Fluoreszenzprotein-Microarrays zu reduzieren. ^{[ 90 ]} Kurz gesagt, die Variation in Fluoreszenz-Microarrays resultiert hauptsächlich aus einer uneinheitlichen Proteinimmobilisierung auf Oberflächen und kann bei Allergie-Microarrays zu Fehldiagnosen führen. ^{[ 91 ]} Um diese Variationen zu korrigieren, werden die im Fluoreszenzmodus erfassten Daten anschließend mit den im markierungsfreien Modus erfassten Daten normalisiert. ^{[ 91 ]} IRIS wurde außerdem für die Einzelnanopartikelzählung angepasst, indem das für die markierungsfreie Biomassequantifizierung verwendete Objektiv mit niedriger Vergrößerung durch ein Objektiv mit höherer Vergrößerung ersetzt wird. ^{[ 92 ] [ 93 ]} Dieser Modus ermöglicht die Größenunterscheidung in komplexen humanen biologischen Proben. Monroe et al. IRIS wurde zur Quantifizierung von Proteinkonzentrationen in menschlichem Vollblut und Serum sowie zur Bestimmung der Allergen-Sensibilisierung in charakterisierten menschlichen Blutproben mittels Nullprobenaufbereitung eingesetzt. ^{[ 94 ]} Weitere praktische Anwendungen dieses Geräts umfassen den Nachweis von Viren und Krankheitserregern. ^{[ 95 ]}

Biosensoren finden vielfältige Anwendung in der Lebensmittelanalytik. ^{[ 96 ] [ 97 ] [ 98 ] [ 99 ]} In der Lebensmittelindustrie werden häufig mit Antikörpern beschichtete Optiken zur Erkennung von Krankheitserregern und Lebensmitteltoxinen eingesetzt. Üblicherweise basiert das Lichtsystem dieser Biosensoren auf Fluoreszenz, da diese Art der optischen Messung das Signal stark verstärken kann.

Für den Einsatz auf SPR -basierten Sensorsystemen wurden verschiedene Immun- und Ligandenbindungsassays zur Detektion und Messung von kleinen Molekülen wie wasserlöslichen Vitaminen und chemischen Kontaminanten ( Arzneimittelrückständen ) wie Sulfonamiden und Beta-Agonisten entwickelt. Diese Assays basieren häufig auf bestehenden ELISA- oder anderen immunologischen Verfahren und finden breite Anwendung in der Lebensmittelindustrie.

Biosensoren könnten zur Überwachung von Luft- , Wasser- und Bodenverunreinigungen wie Pestiziden, potenziell krebserregenden, mutagenen und/oder toxischen Substanzen sowie endokrin wirksamen Chemikalien eingesetzt werden. ^{[ 100 ] [ 101 ]}

So entwickelten Bionanotechnologen beispielsweise einen funktionsfähigen Biosensor, ROSALIND 2.0 , der verschiedene Wasserverunreinigungen nachweisen kann . ^{[ 102 ] [ 103 ]}

Da Ozon schädliche ultraviolette Strahlung filtert, hat die Entdeckung von Löchern in der Ozonschicht der Erdatmosphäre Besorgnis darüber ausgelöst, wie viel ultraviolettes Licht die Erdoberfläche erreicht. Besonders besorgniserregend sind die Fragen, wie tief ultraviolette Strahlung ins Meerwasser eindringt und wie sie Meeresorganismen , insbesondere Plankton (schwebende Mikroorganismen) und Viren , die Plankton befallen, beeinflusst. Plankton bildet die Basis der marinen Nahrungsketten und beeinflusst vermutlich die Temperatur und das Wetter unseres Planeten durch die Aufnahme von CO₂ _für die Photosynthese.

Deneb Karentz, Forscherin am Labor für Radiobiologie und Umweltgesundheit ( Universität von Kalifornien, San Francisco ), hat eine einfache Methode zur Messung der Eindringtiefe und Intensität ultravioletter Strahlung entwickelt. Im Antarktischen Ozean tauchte sie dünne Plastikbeutel mit speziellen E. coli- Stämmen , die UV-Strahlungsschäden an ihrer DNA nahezu vollständig nicht reparieren können, in verschiedene Tiefen. Die Sterberaten der Bakterien in diesen Beuteln wurden mit denen in unbestrahlten Kontrollbeuteln desselben Organismus verglichen. Die bakteriellen „Biosensoren“ zeigten konstant signifikante UV-Schäden in 10 m Tiefe und häufig auch in 20 und 30 m Tiefe. Karentz plant weitere Studien, um zu untersuchen, wie sich ultraviolette Strahlung auf saisonale Planktonblüten ( Wachstumsschübe) in den Ozeanen auswirkt. ^{[ 104 ]}

Metastasierung bezeichnet die Ausbreitung von Krebs von einem Körperteil in einen anderen über das Blut- oder Lymphsystem. ^{[ 105 ]} Im Gegensatz zu radiologischen Bildgebungsverfahren (Mammografie), die Energieformen (Röntgenstrahlen, Magnetfelder usw.) durch den Körper senden, um lediglich Bilder des Körperinneren zu erzeugen, können Biosensoren die Malignität eines Tumors direkt messen. Die Kombination aus biologischem und Detektorelement ermöglicht einen geringen Probenbedarf, eine kompakte Bauweise, schnelle Signale, eine rasche Detektion sowie eine hohe Selektivität und Sensitivität für den untersuchten Analyten. Verglichen mit herkömmlichen radiologischen Bildgebungsverfahren bieten Biosensoren den Vorteil, nicht nur die Ausbreitung des Krebses zu bestimmen und die Wirksamkeit einer Behandlung zu überprüfen, sondern auch kostengünstigere und effizientere (zeit-, kosten- und produktivitätsoptimierte) Methoden zur Beurteilung von Metastasen in frühen Krebsstadien darzustellen.

Forscher im Bereich der Biotechnologie haben onkologische Biosensoren für Brustkrebs entwickelt. ^{[ 106 ]} Brustkrebs ist weltweit die häufigste Krebsart bei Frauen. ^{[ 107 ]} Ein Beispiel hierfür ist eine Transferrin-Quarzkristall-Mikrowaage (QCM). Als Biosensor erzeugt die QCM durch ein Wechselpotential Schwingungen in der Frequenz der stehenden Welle des Kristalls, um Massenänderungen im Nanogrammbereich zu detektieren. Diese Biosensoren sind speziell darauf ausgelegt, mit Rezeptoren auf Zelloberflächen (sowohl von Krebszellen als auch von gesunden Zellen) zu interagieren und weisen eine hohe Selektivität für diese auf. Im Idealfall ermöglicht dies eine quantitative Bestimmung der Anzahl von Zellen mit diesem Rezeptor pro Oberflächenfläche anstelle der qualitativen Bildgebung mittels Mammographie.

Seda Atay, Biotechnologieforscherin an der Hacettepe-Universität, beobachtete experimentell diese Spezifität und Selektivität zwischen einer Quarzkristallmikrowaage (QCM) und MDA-MB-231- Brustkrebszellen, MCF-7- Zellen sowie ausgehungerten MDA-MB-231-Zellen in vitro. ^{[ 106 ]} Gemeinsam mit anderen Forschern entwickelte sie eine Methode, bei der diese unterschiedlich metastasierten Zellen über die Sensoren gespült wurden, um Massenverschiebungen aufgrund unterschiedlicher Mengen an Transferrinrezeptoren zu messen. Insbesondere die Metastasierungskraft von Brustkrebszellen kann mithilfe von Quarzkristallmikrowaagen mit Nanopartikeln und Transferrin bestimmt werden, die potenziell an Transferrinrezeptoren auf der Oberfläche der Krebszellen binden. Die Selektivität für Transferrinrezeptoren ist sehr hoch, da diese in Krebszellen überexprimiert werden. Zellen mit hoher Expression von Transferrinrezeptoren, was ihre hohe Metastasierungskraft anzeigt, weisen eine höhere Affinität auf und binden stärker an die QCM, die die Massenzunahme misst. Abhängig von der Größe der Massenänderung im Nanogrammbereich kann die Metastasierungskraft bestimmt werden.

Zudem wurde in den letzten Jahren der Detektion von Lungenkrebs-Biomarkern ohne Biopsie große Aufmerksamkeit gewidmet. Biosensoren stellen in diesem Zusammenhang vielversprechende und vielseitig einsetzbare Werkzeuge dar, die eine schnelle, sensitive, spezifische, stabile, kostengünstige und nicht-invasive Detektion zur Früherkennung von Lungenkrebs ermöglichen. Krebs-Biosensoren bestehen aus spezifischen Biorezeptoren wie Antikörpern, komplementären Nukleinsäuresonden oder anderen immobilisierten Biomolekülen auf einer Wandleroberfläche. Die Biorezeptoren interagieren spezifisch mit den Biomarkern (Zielmolekülen), und die generierten biologischen Reaktionen werden vom Wandler in ein messbares analytisches Signal umgewandelt. Je nach Art der biologischen Reaktion werden verschiedene Wandlerarten für die Herstellung von Krebs-Biosensoren verwendet, beispielsweise elektrochemische, optische und massenspektrometrische Wandler. ^{[ 108 ]}

Biosensoren könnten zur Erkennung pathogener Organismen eingesetzt werden. ^{[ 101 ]}

Es wurden tragbare , eingebettete Biosensoren für pathogene Signaturen – wie beispielsweise von SARS-CoV-2 – entwickelt, etwa Gesichtsmasken mit integrierten Tests . ^{[ 109 ] [ 110 ]} Siehe auch: COVID-19 Forschung und Entwicklung im öffentlichen Nahverkehr

Neue Arten von Biosensor-Chips könnten innovative Methoden ermöglichen, beispielsweise den Einsatz von Drohnen zur aktiven Überwachung von Luft oder Abwasser auf Krankheitserreger. Proteinbindende Aptamere könnten zum Nachweis von Infektionserregern verwendet werden. ^{[ 111 ]} Systeme elektronischer Haut (oder Roboterhaut) mit integrierten Biosensoren (oder chemischen Sensoren) und Mensch-Maschine-Schnittstellen könnten die tragbare sowie die ferngesteuerte Erfassung von Krankheitserregern (sowie verschiedener Gefahrstoffe und taktile Wahrnehmungen ) ermöglichen. ^{[ 112 ]}

Viele optische Biosensoren basieren auf dem Phänomen der Oberflächenplasmonenresonanz (SPR). ^{[ 113 ] [ 114 ]} Dabei wird eine Eigenschaft von Gold und anderen Metallen genutzt: ^{[ 115 ]} Eine dünne Goldschicht auf einer Glasoberfläche mit hohem Brechungsindex kann Laserlicht absorbieren und so Elektronenwellen (Oberflächenplasmonen) auf der Goldoberfläche erzeugen. Dies geschieht nur bei einem bestimmten Einfallswinkel und einer bestimmten Wellenlänge des Lichts und ist stark von der Goldoberfläche abhängig. Die Bindung eines Zielanalyten an einen Rezeptor auf der Goldoberfläche führt zu einem messbaren Signal.

Oberflächenplasmonenresonanzsensoren arbeiten mit einem Sensorchip, der aus einer Kunststoffkassette mit einer Glasplatte besteht. Eine Seite der Glasplatte ist mit einer mikroskopisch dünnen Goldschicht beschichtet und steht in Kontakt mit dem optischen Detektionsapparat des Geräts. Die gegenüberliegende Seite ist mit einem mikrofluidischen Durchflusssystem verbunden. Durch diesen Kontakt entstehen Kanäle, durch die Reagenzien in Lösung geleitet werden können. Diese Seite des Glassensorchips lässt sich auf verschiedene Weise modifizieren, um die Anbindung von Molekülen von Interesse zu erleichtern. Üblicherweise ist sie mit Carboxymethyldextran oder einer ähnlichen Verbindung beschichtet.

Der Brechungsindex an der Strömungsseite der Chipoberfläche beeinflusst direkt das Verhalten des von der Goldseite reflektierten Lichts. Die Bindung an die Strömungsseite des Chips verändert den Brechungsindex , wodurch biologische Interaktionen mit hoher Empfindlichkeit und unter Einwirkung bestimmter Energie gemessen werden können. Der Brechungsindex des Mediums nahe der Oberfläche ändert sich, wenn Biomoleküle an die Oberfläche binden, und der SPR-Winkel variiert in Abhängigkeit von dieser Änderung.

Licht einer festen Wellenlänge wird an der Goldseite des Chips unter Totalreflexion reflektiert und im Inneren des Instruments detektiert. Der Einfallswinkel des Lichts wird variiert, um die Ausbreitungsgeschwindigkeit der evaneszenten Welle an die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Oberflächenplasmonenpolaritonen anzupassen. ^{[ 116 ]} Dadurch dringt die evaneszente Welle durch die Glasplatte und ein Stück weit in die darüber fließende Flüssigkeit ein.

Andere optische Biosensoren basieren hauptsächlich auf Änderungen der Absorption oder Fluoreszenz einer geeigneten Indikatorverbindung und benötigen keine Totalreflexionsgeometrie. Beispielsweise wurde ein voll funktionsfähiger Prototyp zur Detektion von Casein in Milch hergestellt. Das Gerät basiert auf der Detektion von Absorptionsänderungen einer Goldschicht. ^{[ 117 ]} Auch das weit verbreitete Forschungsinstrument Mikroarray kann als Biosensor betrachtet werden.

Biologische Biosensoren, auch optogenetische Sensoren genannt , verwenden häufig eine gentechnisch veränderte Form eines nativen Proteins oder Enzyms. Das Protein ist so konfiguriert, dass es einen spezifischen Analyten detektiert, und das resultierende Signal wird mit einem Messgerät wie einem Fluorometer oder Luminometer erfasst. Ein Beispiel für einen kürzlich entwickelten Biosensor ist ein Sensor zur Bestimmung der cytosolischen Konzentration des Analyten cAMP (zyklisches Adenosinmonophosphat), einem sekundären Botenstoff, der an der zellulären Signalübertragung beteiligt ist, die durch die Interaktion von Liganden mit Rezeptoren auf der Zellmembran ausgelöst wird. ^{[ 118 ]} Ähnliche Systeme wurden entwickelt, um zelluläre Reaktionen auf native Liganden oder Xenobiotika (Toxine oder niedermolekulare Inhibitoren) zu untersuchen. Solche Assays werden häufig in der Wirkstoffforschung von Pharma- und Biotechnologieunternehmen eingesetzt. Die meisten derzeit verwendeten cAMP-Assays erfordern die Lyse der Zellen vor der cAMP-Messung. Ein Lebendzell-Biosensor für cAMP kann in nicht-lysierten Zellen eingesetzt werden und bietet den zusätzlichen Vorteil mehrerer Messungen zur Untersuchung der Kinetik der Rezeptorantwort.

Nanobiosensoren nutzen eine immobilisierte Biorezeptorsonde, die selektiv an Zielanalytenmoleküle bindet. Nanomaterialien sind hochempfindliche chemische und biologische Sensoren. Nanomaterialien weisen einzigartige Eigenschaften auf. Ihr großes Oberflächen-Volumen-Verhältnis ermöglicht schnelle und kostengünstige Reaktionen durch vielfältige Designs. ^{[ 119 ]}

Andere Biosensoren, die auf evaneszenten Wellen basieren, wurden bereits kommerziell eingesetzt. Sie nutzen Wellenleiter, deren Ausbreitungskonstante durch die Absorption von Molekülen an der Wellenleiteroberfläche verändert wird. Ein Beispiel hierfür ist die Dualpolarisationsinterferometrie , bei der ein vergrabener Wellenleiter als Referenz dient, anhand dessen die Änderung der Ausbreitungskonstante gemessen wird. Andere Konfigurationen, wie beispielsweise der Mach-Zehnder- Interferometer, verwenden lithografisch auf einem Substrat definierte Referenzarme. Höhere Integrationsgrade lassen sich durch Resonatorgeometrien erzielen, bei denen sich die Resonanzfrequenz eines Ringresonators mit der Absorption von Molekülen ändert. ^{[ 120 ] [ 121 ]}

In jüngster Zeit werden Arrays vieler verschiedener Detektormoleküle in sogenannten elektronischen Nasen eingesetzt , wobei das Reaktionsmuster der Detektoren zur Identifizierung einer Substanz dient. ^{[ 122 ]} Im Geruchsdetektor Wasp Hound ist das mechanische Element eine Videokamera und das biologische Element fünf Schlupfwespen, die darauf konditioniert wurden, bei Anwesenheit einer bestimmten Chemikalie zu schwärmen. ^{[ 123 ]} Aktuelle kommerzielle elektronische Nasen verwenden jedoch keine biologischen Elemente.

DNA kann der Analyt eines Biosensors sein und mit spezifischen Mitteln nachgewiesen werden, sie kann aber auch als Teil eines Biosensors oder, theoretisch, sogar als vollständiger Biosensor verwendet werden.

Es gibt zahlreiche Techniken zum Nachweis von DNA, die üblicherweise dazu dienen, Organismen mit dieser spezifischen DNA zu identifizieren. DNA-Sequenzen können, wie oben beschrieben, ebenfalls verwendet werden. Es existieren aber auch zukunftsweisendere Ansätze, bei denen DNA synthetisiert wird, um Enzyme in einem biologischen, stabilen Gel zu binden. ^{[ 124 ]} Weitere Anwendungen umfassen die Entwicklung von Aptameren, DNA-Sequenzen mit einer spezifischen Form zur Bindung eines gewünschten Moleküls. Die innovativsten Verfahren nutzen hierfür DNA-Origami , wodurch Sequenzen entstehen, die sich in eine vorhersagbare, für den Nachweis geeignete Struktur falten. ^{[ 125 ] [ 126 ]}

Wissenschaftler haben Prototyp-Sensoren entwickelt, um tierische DNA aus der eingesaugten Luft, sogenannte „luftgetragene eDNA“, nachzuweisen. ^{[ 127 ]}

Aus DNA hergestellte „Nanoantennen“ – eine neuartige Art optischer Antennen im Nanomaßstab – können an Proteine ​​gebunden werden und erzeugen ein Signal durch Fluoreszenz , wenn diese ihre biologischen Funktionen ausüben, insbesondere bei bestimmten Konformationsänderungen . ^{[ 128 ] [ 129 ]}

Graphen ist ein zweidimensionales, kohlenstoffbasiertes Material mit hervorragenden optischen, elektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften. Seine Fähigkeit, verschiedene Proteine, insbesondere solche mit Kohlenstoffringstrukturen, zu absorbieren und zu immobilisieren, macht Graphen zu einem exzellenten Kandidaten für Biosensor-Transducer. Daher wurden in jüngster Zeit verschiedene Graphen-basierte Biosensoren erforscht und entwickelt. ^{[ 15 ] [ 130 ]} Graphen wird in verschiedenen Formaten als Biosensor eingesetzt, insbesondere in elektrochemischen Sensoren und Feldeffekttransistoren. Graphen-Feldeffekttransistoren (GFETs) haben sich dabei als besonders leistungsstark in der patientennahen Sofortdiagnostik (Point-of-Care, PoC) erwiesen, was sich in der zunehmenden Anzahl von Forschungsartikeln über COVID-19-Diagnostik mit GFETs widerspiegelt. Sie weisen niedrige Nachweisgrenzen, schnelle Ergebnisse innerhalb weniger Sekunden und Multiplexing-Fähigkeiten auf. ^{[ 131 ]} Diese Fähigkeiten ermöglichen eine sofortige Krankheitserkennung, insbesondere in Fällen mit sich überschneidenden Symptomen, die zu Beginn schwer zu unterscheiden sind, und ermöglichen so bessere Behandlungsergebnisse, insbesondere in ressourcenbeschränkten medizinischen Einrichtungen.