Biosensorik von kleinen Analyten auf resonanten Nanostrukturen

Biosensoren sind analytische Module, die es erlauben, eine Reihe verschiedenster medizinischer Parameter quantitative zu bestimmen, um damit über den Gesundheitszustand eines Patienten oder über den Entwicklungsstand von Krankheiten befinden zu können. Die entsprechenden Parameter können die Konzentrationen von Ionen, Proteinen, DNS Fragmenten, kleinen Molekülen oder andere (Bio-) Marker sein. Dies wird dadurch erreicht, dass eine biologische Erkennungsstruktur, ein Bio- Rezeptor, auf die Oberfläche eines physikalisch-chemischen Transducers (dem eigentlichen Sensor) aufgebracht wird, und damit die entsprechenden Analyten in Lösung oder in Luft (z.B. in ausgeatmeter Atemluft) erkannt, gebunden und in ihrer Konzentration gemessen werden können. Ziel ist es dabei, die Parameter schnell und spezifisch, auch in geringsten Konzentrationen und selbst in komplexen Lösungen, etwa direkt in Körperflüssigkeiten messen zu können. Nach wie vor ist eine der größten Herausforderungen in der Biosensorik die notwendige Empfindlichkeit. Das ist besonders für die Detektion kleiner Analyt Moleküle, wie Haptenen, Giften, oder von Geruchsstoffen schwierig, da das Messsignal klassischer Detektoren oftmals unterhalb der notwendigen Detektionsschwelle liegt. Für einige Biosensoren konnte das Problem durch eine Verbesserung der Biofunktionalisierung, durch eine bessere Beschichtung der Sensoren gelöst werden. Für die Detektion kleiner Analyten konnte dies z.B. dadurch erreicht werden, dass Biorezeptoren, etwa Antikörper, Aptamere oder spezielle Selektoren, chemische Strukturen mit einer Bindeaffinität für einen spezifischen (kleinen) Liganden, mit verbesserten Empfindlichkeiten zum Einsatz kamen. Eine ganz andere Strategie verfolgt das Konzept, die Messempfindlichkeit der eingesetzten Transducer zu erhöhen. Für optische Sensoren bieten sich dabei an, neuere Entwicklungen im Bereich der Nanostrukturierung von Oberflächen zu nutzen, um die damit erzielbaren optischen Verstärkungsmechanismen bei spektroskopischen Messmethoden für eine deutliche Erhöhung der Messsignale zu nutzen. In diesem Sinne schlagen wir ein Kombinationsverfahren aus Massen-empfindlicher Bestimmung der Bindung von Liganden mit der Quarz-Mikrowaage (QCM, Quartz Crystal Microbalance) und gleichzeitiger spektroskopischer Detektion der bindenden Liganden vor. Damit wollen wir sehr grundlegende Informationen und Kenntnisse über die molekularen Vorgänge bei der Bindung kleiner Moleküle an die Transducer Oberfläche erhalten, andererseits wollen wir mittels dieser Kombination die Messempfindlichkeit, besonders für kleine Analyt Moleküle deutlich erhöhen. Wir wollen dies zum einen bei der Verwendung von Antikörpern und Aptameren als Biorezeptoren zeigen, andererseits das Verfahren auch für synthetische chemischer Erkennungsstrukturen, sog. Selektoren, optimieren. Die Quarz-Mikrowaage wird dabei v.a. auch zum Messen der visko- elastischen Veränderungen der Sensor Beschichtung bei Bindung der Liganden eingesetzt werden; andererseits werden die optimierten Nanostrukturen auf der Transducer Oberfläche für Oberflächen- verstärkte Infrarot- (SEIRAS) und Raman (SERS) Messungen genutzt werden. Mit Hilfe der nachgewiesenen plasmonischen Verstärkunsfaktoren von 1010 für Raman- und 106 für IR-Messungen sollte es möglich sein, sehr detaillierte Daten über die Mechanismen bei der Bindung kleiner Analyt Moleküle an die funktionalisierte Transducer Oberfläche zu erhalten, andererseits die Messempfindlichkeit für diese Klasse von Liganden deutlich zu erhöhen, und damit eine schnelle, zuverlässige, hoch-spezifische und -selektive Erkennung von Analyten zu ermöglichen.

Biosensoren sind analytische Module, die es erlauben, eine Reihe verschiedenster medizinischer Parameter quantitative zu bestimmen, um damit über den Gesundheitszustand eines Patienten oder über den Entwicklungsstand von Krankheiten befinden zu können. Die entsprechenden Parameter können die Konzentrationen von Ionen, Proteinen, DNS-Fragmenten, kleinen Molekülen oder anderer (Bio-) Marker sein. Dies wird dadurch erreicht, dass eine biologische Erkennungsstruktur, ein Bio-Rezeptor, auf die Oberfläche eines physikalisch-chemischen Transducers (dem eigentlichen Sensor) aufgebracht wird, und damit die entsprechenden Analyten in Lösung oder in Luft (z.B. in ausgeatmeter Atemluft) erkannt, gebunden und in ihrer Konzentration gemessen werden können. Ziel ist es dabei, die Parameter schnell und spezifisch, auch in geringsten Konzentrationen und selbst in komplexen Lösungen, etwa direkt in Körperflüssigkeiten messen zu können. Nach wie vor ist eine der größten Herausforderungen in der Biosensorik die notwendige Empfindlichkeit. Das ist besonders für die Detektion kleiner Analyt Moleküle, wie Haptenen, Giften, oder von Geruchsstoffen schwierig, da das Messsignal klassischer Detektoren oftmals unterhalb der notwendigen Detektionsschwelle liegt. Für einige Biosensoren konnte das Problem durch eine Verbesserung der Biofunktionalisierung, durch eine bessere Beschichtung der Sensoren gelöst werden. Für die Detektion kleiner Analyten konnte dies z.B. dadurch erreicht werden, dass Biorezeptoren, etwa Antikörper, Aptamere oder spezielle "Selektoren", chemische Strukturen mit einer Bindeaffinität für einen spezifischen (kleinen) Liganden, mit verbesserten Empfindlichkeiten zum Einsatz kamen. Wir verfolgten eine ganz andere Strategie, nämlich die Messempfindlichkeit der eingesetzten Transducer zu erhöhen. Für optische Sensoren bot sich dabei an, neuere Entwicklungen im Bereich der Nanostrukturierung von Oberflächen zu nutzen, um die damit erzielbaren optischen Verstärkungsmechanismen bei spektroskopischen Messmethoden für eine deutliche Erhöhung der Messsignale zu nutzen. In diesem Sinne haben wir in diesem Projekt ein Kombinationsverfahren aus Massen-empfindlicher Bestimmung der Bindung von Liganden mit der Quarz-Mikrowaage (QCM, Quartz Crystal Microbalance) und gleichzeitiger spektroskopischer Detektion der bindenden Liganden entwickelt. Damit konnten wir sehr grundlegende Informationen und Kenntnisse über die molekularen Vorgänge bei der Bindung kleiner Moleküle an die Transducer Oberfläche erhalten, andererseits konnten wir mittels dieser Kombination die Messempfindlichkeit, besonders für kleine Analyt Moleküle deutlich erhöhen. Wir haben dies zum einen bei der Verwendung von Antikörpern und Aptameren als Biorezeptoren gezeigt, andererseits haben wir das Verfahren auch für synthetische chemische Erkennungsstrukturen, sog. Selektoren, optimieren können. Die entsprechenden Nanostrukturen auf der Transducer Oberfläche konnten dabei für Oberflächen-verstärkte Infrarot- (SEIRAS) und Raman (SERS) Messungen genutzt werden. Damit war es möglich, die Mechanismen bei der Bindung kleiner Analyt Moleküle an die funktionalisierte Transducer Oberfläche zu erhalten, und darüber hinaus die Messempfindlichkeit für diese Klasse von Liganden deutlich zu erhöhen, womit eine schnelle, zuverlässige, hoch-spezifische und -selektive Erkennung von Analyten ermöglicht wurde.