Biosensoren

ISBN-13: 9783540574781 / Niemiecki / Miękka / 1994 / 417 str.

Elizabeth A. H. Hall; G. Hummel; G. Hummel

Opis

Biosensoren vereinigen so inkompatible Welten wie Molekularbiologie und Elektronik. Das Potential fur Anwendungen von Biosensoren ist enorm hoch und reicht von der Messung der Olverschmutzung unserer Weltmeere bis zur Bestimmung des Glucosespiegels im Blut. Das vorliegende Buch gibt zunachst eine Einfuhrung in die Molekularbiologie und Biochemie, soweit dies zum Verstandnis der Biosensor-Technologie notwendig ist. Es werden dann die verschiedensten Biosensor-Typen sowie deren wissenschaftliche und kommerzielle Anwendungen beschrieben."

Spis treści

1. Sensortechniken: Konzepte und Analysenprinzipien.- 1 Einführung in die Biosensorik.- 1.1 Der Markt für diagnostische Methoden.- 1.2 Das Prinzip des Biosensors.- 1.3 Anwendungsbereiche.- 1.3.1 Klinische Diagnostik.- 1.3.2 Künstliche Bauchspeicheldrüse.- 1.3.3 Sensoren für die Prozeßkontrolle.- 1.3.4 Militärische Anwendungen.- 1.3.5 Umweltüberwachung.- 1.3.6 Sensoranpassung für spezielle Anwendungen.- 1.3.7 Betriebsarten für Analysensysteme.- 1.3.8 Anforderungen an die Empfindlichkeit.- 1.4 Die ersten Biosensoren.- 1.5 Die Weiterentwicklung.- 1.6 Neue multidisziplinäre Technologien.- 1.7 Immuntests und DNA-Sonden.- 1.8 Die Entwicklungsstufen von Biosensoren.- 1.9 Die Einheit von Biomolekül und Sensor.- 1.9.1 Das Design.- 1.9.2 Immobilisierungsverfahren.- 1.10 Zukünftige Entwicklungen.- 2 Biomoleküle im Überblick.- 2.1 Die Hierarchie der Biomoleküle.- 2.2 Proteine.- 2.3 Enzyme.- 2.4 Enzymkinetik.- 2.5 Die Proteine des Immunsystems.- 2.6 Antikörper in analytischen Testsystemen.- 2.6.1 Monoklonale Antikörper im Immuntest.- 2.7 Nicht-peptidische Biomoleküle aus Aminosäuren.- 2.8 Nucleinsäuren und ihre Derivate.- 2.9 DNA im Test.- 2.10 Nucleotid-Coenzyme.- 3 Ionenselektive potentiometrische Messung.- 3.1 H+-Messung.- 3.2 Ionenselektive Grenzflächen.- 3.2.1 Klassifizierung der ionenselektiven Elektroden (ISE).- 3.3 Ionenselektive Elektroden.- 3.3.1 Glaselektroden.- 3.3.2 Elektroden auf der Basis anorganischer Salze.- 3.3.3 Elektroden auf der Basis organischer Ionenaustauscher und neutraler Carrier.- 3.3.4 Gassensitive Elektroden.- 4 Halbleiterelektroden.- 4.1 Arbeitsweise von Halbleitern.- 4.2 Metall-Isolator-Halbleiter.- 4.3 Die Grenzfläche zwischen Halbleiter und Lösung.- 4.4 Feldeffekttransistoren (FET).- 4.5 Chemosensitive Feldeffekttransistoren (CHEMFET).- 4.6 Gassensitive Metallgates (IGFET).- 4.7 Suspended-Gate-Feldeffekttransistoren (SGFET).- 4.8 Selektivität und Mustererkennung.- 4.9 Ionenselektive Feldeffekttransistoren (ISFET).- 4.9.1 Festkörpermembranen.- 4.9.2 Polymere Membranen.- 4.9.3 ISFET mit multipler Funktion.- 4.9.4 Heterogene Membranen.- 4.10 Referenzsysteme für Feldeffekttransistoren.- 4.11 Betrieb als CHEMFET.- 4.12 Weitere Entwicklungen von CHEMFET.- 5 Amperometrische Meßtechniken.- 5.1 Messung von Ladungstransfer-Reaktionen.- 5.2 Voltammetrie.- 5.2.1 Cyclische Voltammetrie.- 5.2.2 Geschwindigkeitskonstanten für den Elektronentransfer.- 5.2.3 Überspannung.- 5.2.4 Adsorptionseffekte.- 5.2.5 Gekoppelte katalytische Reaktionen.- 5.3 Potentialsprung-Verfahren.- 5.4 Messungen im nicht-stationären Bereich.- 5.5 Anwendung von Ladungstransfermessungen: Sauerstoffelektrode.- 5.6 O2-Verarmung der Probe als Fehlerquelle.- 5.7 Fehler durch nicht-Faradaysche Ströme.- 5.8 Verminderte Selektivität durch andere elektroaktive Substanzen.- 5.8.1 Störungen durch Distickstoffoxid.- 5.8.2 Störungen durch Halothan.- 5.9 Amperometrische Elektroden.- 5.10 Elektrochemisches Verhalten von Makromolekülen.- 5.11 Redox-Enzyme.- 5.12 Modifizierte Elektroden.- 5.13 Elektronentransfer über Mediatoren.- 5.13.1 Polymere Ionenaustauscher.- 5.13.2 Redoxpolymere.- 5.13.3 Leitende Polymere.- 5.14 Fertigung und Anwendung von Mikroelektroden.- 5.14.1 Herstellung dünner Schichten.- 5.14.2 Dickschichtelektroden.- 5.14.3 Festkörpertransistoren und molekulare Transistoren.- 6 Photometrische Meßtechniken.- 6.1 Energieübergänge.- 6.2 UV-Sichtbar-Absorptionsspektren.- 6.3 Fluoreszenz und Phosphoreszenz.- 6.4 Biolumineszenz und Chemolumineszenz.- 6.5 Infrarot-Übergänge.- 6.6 Lichtstreuung.- 6.7 Ramanstreuung.- 6.8 Anwendung der UV-Sichtbar-Spektroskopie.- 6.8.1 Proteine.- 6.8.2 Polynucleotide.- 6.9 Mit Indikatoren gekoppelte Biotests.- 6.9.1 Lumineszenztest.- 6.9.2 Chemolumineszenztest.- 6.9.3 Fluoreszenz.- 6.10 Schwingungsspektroskopie.- 6.11 Optische Transducer.- 6.11.1 Einfache Wellenleiter.- 6.11.2 Externe Reflexion.- 6.11.3 Interne Reflexion.- 6.11.4 Phasenänderung.- 6.11.5 Fasern.- 6.11.6 Gekrümmte Fasern.- 6.12 Wellenleiter in Sensoren.- 6.13 Konstruktion eines optischen Sensors.- 6.14 Optische pH-Sensoren.- 6.14.1 pH-Sonde mit Phenolrot.- 6.14.2 Fluoreszenz-pH-Sonde.- 6.14.3 Einfluß der Ionenstärke auf die pH-Messung.- 6.15 Ionenselektive Sonden.- 6.16 Optische Gas-Meßfühler.- 6.16.1 Kohlendioxidsonden.- 6.16.2 Ammoniaksonden.- 6.16.3 Sauerstoffsonden.- 6.16.4 Schwefeldioxidsonden.- 6.17 Gedämpfte IR-Totalreflexion (ATR).- 6.18 Ellipsometrie.- 6.19 Analyse der Lichtstreuung.- 6.20 Das Potential optischer Biosensoren.- II. Biosensoren in der Praxis.- 7 Sensoren mit ganzen Zellen und Geweben.- 7.1 Elektrochemische Meßprinzipien.- 7.2 Amperometrische Sensoren mit ganzen Zellen.- 7.2.1 Mikrobielle Biosensoren.- 7.2.2 Sensoren auf Gewebebasis.- 7.3 Potentiometrische Sensoren.- 7.3.1 Ammoniak-sensitive Sensoren.- 7.3.2 Schwefelwasserstoff-sensitive Sensoren.- 7.3.3 Kohlendioxid-sensitive Sensoren.- 7.4 Antibiotika als Inhibitoren zellulärer Systeme.- 7.5 FET auf der Basis ganzer Zellen.- 7.6 Mediatormodifizierte Sensoren auf der Basis ganzer Zellen.- 7.6.1 Energieübertragung.- 7.6.2 Künstliche Mediatoren.- 8 Amperometrische Biosensoren.- 8.1 Die Enzymelektrode.- 8.2 Eingeschränkte Diffusion durch eine Membran.- 8.2.1 Sauerstoff-sensitiver Test.- 8.2.2 Betriebsarten der Enzymelektroden.- 8.2.3 Elektrode mit membrangebundenem Enzym.- 8.3 Glucose-Test.- 8.3.1 Sauerstoff-Limitierungen bei Oxidasen.- 8.3.2 Sauerstoff-stabilisierte Glucosebestimmung.- 8.4 Elektrochemische Verfahren.- 8.5 Glucose-Überwachung in situ.- 8.5.1 Nadelelektroden.- 8.6 Signalverstärkung.- 8.7 Oxidase-Sensoren mit Sauerstoff-Bypass.- 8.8 Ferrocengekoppelte Elektroden.- 8.9 Enzymatischer Glucosetest.- 8.10 Glucose-Oxidase als Markerenzym.- 8.11 NAD+/NADH-Systeme.- 8.12 Redoxproteine.- 8.12.1 Cytochrom C.- 8.13 Amperometrische Bestimmung Enzym-gekoppelter pH-Änderungen.- 8.14 Amperometrische Bestimmung von Bioaffinitätsreaktionen.- 8.15 Signalverstärkung über Analyt-Recycling.- 8.16 Multienzymsensoren.- 8.17 Miniaturisierung.- 9 Potentiometrische Biosensoren.- 9.1 Potentiometrische Enzymelektroden.- 9.2 pH-Sensitive Enzymelektroden.- 9.2.1 Geeignete Enzymsysteme.- 9.2.2 Optimierung der Immobilisierungstechnik.- 9.3 Ammoniak-sensitive Enzymelektroden.- 9.3.1 Harnstoff.- 9.3.2 Kreatinin.- 9.3.3 L-Phenylalanin.- 9.3.4 Adenosin.- 9.3.5 Störungen Ammoniak-sensitiver Elektroden.- 9.4 CO2-sensitive Enzymelektroden.- 9.4.1 Oxalat.- 9.4.2 Immuntests mit CO2-Elektroden.- 9.5 Iodid-sensitive Enzymelektroden.- 9.6 Ag+/S2- -Elektroden.- 9.7 Analyt-selektive Elektroden.- 9.7.1 Potentiometrische L-Aminosäure-Elektrode.- 9.7.2 Potentiometrische Glucoseelektrode.- 9.7.3 Potentiometrische Lactatelektrode.- 9.8 Antikörper-Antigen-Elektroden.- 9.8.1 Selektive Membranpotentiale.- 9.8.2 Anti-Digoxin-Digoxin.- 9.8.3 Anti-HCG—HCG.- 9.8.4 Hepatitis B-Oberflächenantigen.- 9.8.5 Wassermann-Antikörper.- 9.8.6 Bioafnnitätsmembran im Riboflavintest.- 9.8.7 Status des Immunsystems.- 9.9 Anwendung in Feldeffekttransistoren.- 9.9.1 Feldeffekttransistoren mit Biokomponenten.- 9.9.2 pH-FET mit Penicillinase.- 9.9.3 pH-FET zur Glucosebestimmung.- 9.9.4 pH-FET zur Lactosebestimmung.- 9.9.5 pH-FET mit Urease.- 9.9.6 Bifunktionaler pH-FET mit Glucose-Oxidase und Urease.- 9.9.7 Palladium-MOSFET.- 9.9.8 Ammoniak-sensitiver FET.- 9.10 Immunsensitive FET.- 9.11 Reaktionen von Immun-FETs.- 10 Die Entwicklung optischer Biosensoren.- 10.1 Indikator-markierte biologische Tests.- 10.2 Festkörpersensoren mit adsorbiertem Marker.- 10.2.1 Albumin.- 10.2.2 Penicillin.- 10.2.3 Harnstoff.- 10.2.4 Intrinsischer optischer Enzymsensor.- 10.2.5 p-Nitrophenylphosphat.- 10.3 Chemolumineszenz-Markierung.- 10.4 Biolumineszenz.- 10.5 Fluoreszenz-Markierung.- 10.5.1 Esterasen.- 10.5.2 Penicillin.- 10.5.3 Concanavalin A.- 10.5.4 Steigerung der Empfindlichkeit durch Analyt-Recycling.- 10.6 Immunosensoren.- 10.7 Externe Reflexionsspektroskopie.- 10.7.1 Bestimmung des Polarisationswinkels.- 10.7.2 Interferenzverstärkte Reflektanz.- 10.8 Oberflächenplasmonresonanz.- 10.8.1 Anwendungen.- 10.9 Oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie.- 11 Andere Transducer.- 11.1 Thermometrische Biosensoren.- 11.1.1 Technisches Design von thermometrischen Biosensoren.- 11.1.2 Enzymatische Verstärkung.- 11.1.3 Anwendungen.- 11.2 Bestimmung des elektrischen Leitwerts.- 11.3 Piezoelektrische Sensoren.- 11.3.1 Modifizierung von Kristallen mit Formaldehyd-Dehydrogenase.- 11.3.2 Modifizierung von Kristallen mit Cholinesterase.- 11.3.3 Immunsensitive Kristalle.- 11.3.4 Tests mit piezoelektrischen Kristallen in wäßriger Lösung.- 11.4 Akustische Oberflächenwellen.