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Lexikon der Neurowissenschaft: Biosensoren

Biosensoren [Mehrzahl; von griech. bios = Leben, latein. sensus = Empfindung], E biosensors, allgemein Bezeichnung für Meßelemente, in denen eine biologisch aktive Komponente (Sensor bzw. Rezeptor) mit einem Signalwandler (Transducer) sowie einem elektronischen Detektor und Verstärker eine Einheit bildet. Das Meßprinzip beruht im wesentlichen darauf, daß bestimmte Moleküle (Analyten) mit dem gekoppelten biologischen Sensormaterial in Wechselwirkung treten und damit ein biochemisches oder optisches Signal hervorrufen, das durch den Transducer in ein elektrisches Signal umgewandelt und schließlich elektronisch verstärkt und angezeigt wird ( siehe Zusatzinfo ). Neben einer Quantifizierung des erhaltenen Signals sind weitere Informationen über Spezifitäten, Kinetiken, Affinitäten, Aktivitäten und/oder Stöchiometrien meß- und interpretierbar. Das Bestreben zur Miniaturisierung hat in den letzten Jahren zu einem wahren Boom bei der Herstellung von Biochips geführt, bei denen die biologisch aktive Komponente mit einem Halbleiterelement (Siliciumchip) kombiniert wird, der als Transducer-Komponente fungiert. Bedeutung soll stark miniaturisierten Biosensoren in Zukunft vor allem im medizinischen Bereich zukommen, z.B. als Implantate zur kontinuierlichen in-vitro-Messung wichtiger Substanzen wie Glucose, Hormone oder Neurotransmitter. – Im weiteren Sinne werden gelegentlich auch Systeme als Biosensoren bezeichnet, die keine biologisch aktiven Komponenten als Sensoren besitzen. Dazu gehören unter anderem Geräte, die biologisch und/oder medizinisch relevante Größen, wie z.B. Atmung, Blutdruck, Puls, Körpertemperatur, Potentialschwankungen des Herzmuskels (Elektrokardiogramm) oder des Gehirns (Elektroencephalogramm), in elektronisch verwertbare Signale verwandeln. – Inzwischen wurde auch Nervengewebe des Rückenmarks erfolgreich in vitro kultiviert und als Sensor eingesetzt. Die Zellen werden in einer Nährlösung gehalten, bauen ein Netz von Verbindungen auf und zeigen ein spontanes elektrisches Aktivitätsmuster, das von Mikroelektroden gemessen werden kann. Auf hinzugefügte Substanzen reagiert das Gewebe häufig mit einer Veränderung des Aktivitätsmusters, die von einem künstlichen neuronalen Netz ausgewertet werden kann. Mit dieser Kombination von Rückenmarkszellen und neuronalem Netz konnte z.B. Strychnin quantitativ analysiert werden. Daneben gibt es Versuche mit Insekten, die auf Siliciumchips immobilisiert als Biosensoren fungieren, wobei vor allem deren Geruchsempfindungen interessieren. Dazu werden die Fühler dieser Insekten in eine Elektrolytlösung getaucht, die die Weiterleitung entstehender elektrischer Signale erlaubt und damit in einem angeschlossenen Transistor einen höheren Stromfluß hervorruft. Letztlich ist es das Ziel, die für die Geruchsempfindung zuständigen Moleküle zu finden und diese anstatt der lebenden Käfer als biologisch aktive Komponente zu immobilisieren. Bioelektronik.

Lit.: Hall, E.A.: Biosensoren. Berlin 1995.

Biosensoren

Als Sensoren können verschiedene biologische Strukturen dienen, vor allem Enzyme (Enzymsensoren) und Antikörper (Immunosensoren), die auf verschiedene Weise am Transducer immobilisiert sind. Als Transducer fungieren hauptsächlich solche, die auf elektrochemischen (amperometrische, potentiometrische und konduktometrische Biosensoren) oder optischen Prinzipien (optische Biosensoren) beruhen. Daneben werden auch piezoelektrische, wellenakustische, kalorimetrische und andere Verfahren eingesetzt. Meist arbeiten elektrochemische Biosensoren auf amperometrischer Basis, d.h., bei einem in Bezug auf eine Referenzelektrode konstanten elektrochemischen Potential an der Arbeitselektrode wird der Stromfluß gemessen, der bei Oxidation oder Reduktion einer elektrodenaktiven Substanz entsteht. Dieser Stromfluß ist über einen großen Bereich direkt proportional zur Konzentration der zu messenden Substanz.

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