Synthetische Antikörper als Beschichtung für Chemosensoren

Sensoren sind Meßfühler zum kontinuierlichen Erfassen von chemischen Substanzen. Biosensoren, die über hohe Selektivitäten verfügen, weisen unter rauhen Bedingungen Anwendungsgrenzen auf. Die geringe Verfügbarkeit biologischer Komponenten (z.B. Antikörper) ist eine zusätzliche Limitierung. Unser Projekt setzt sich zum Ziel, hohe Selektivitäten durch robuste synthetische Materialien für industriell herstellbare Chemosensoren zu erreichen. Die Technik des "Molekularen Prägens" von Polymeren und Sol-Gelen erlaubt, die Vorzüge von Bio- und Chemosensoren in Form sogenannter "synthetischer Antikörper" zu vereinen. Diese künstlichen Rezeptoren werden von uns entwickelt, um selektive Erkennung von unterschiedlichen Analyten (Größenordnung: Sub-Nanometer- bis hin in den Micrometerbereich) zu ermöglichen. Zielanalyte sind komplexe Gemische, Enzyme, Viren, Mikroorgansimen, sowie Tumor- und Blutzellen. Wir ziehen komplexe Gemische als Template für die Herstellung der geprägten Materialien heran, um damit stoffliche Zusammensetzungen durch den hinterlassenen "Fingerabdruck" dieses Gemisches charakterisieren zu können. Die selektive Detektion von Biopolymeren und Zellen an biomimetischen Rezeptoren erweitert die Technik molekular geprägter Materialien um eine neue Dimension. Abdrücke der Zellen bzw. der Zelloberflächen entstehen beispielsweise auf der sensorischen Rezeptorschicht mit Hilfe eines Stempels mit Zellrasen. Detektoren - unter anderem auf der Basis von Piezokristallen, wie sie in Mobiltelephonen vorzufinden sind - werden mit den künstlichen Antikörpern beschichtet und stellen vereint den "molekular geprägten Chemosensor" für Einsätze im Umweltbereich oder der Lebensmittelchemie dar. Durch die hohe Resonanzfrequenzen von Shear Transverse Wave (STW) Resonatoren können selbst einzelne Zellen detektiert werden. Ziel des Projektes ist zudem eine einfache Sensorentwicklung für technologische Fertigungsprozesse zu demonstrieren.

Für die Schnellanalytik sind chemische Sensoren, Fühler für Chemikalien, nicht mehr wegzudenken. Engpass in dieser Strategie sind die notwendigen Rezeptoren, die kleine Schadstoffmoleküle und Biopolymere bis hin zu Säugerzellen selektiv binden. Mit massensensitiven Bauteilen, wie der Quarzmikrowaage (10 MHz) oder dem Oberflächenwellenresonator (430 MHz) mit Empfindlichkeiten im Nano- bzw. bis Subpikogrammbereich, ergeben sich so hochempfindliche Nachweismethoden. Hierbei müssen zudem keine chemisch anspruchsvollen Markierungen durchgeführt werden. In Analogie zur Natur - molekulare Erkennung mit Antikörpern - entwickelten wir synthetische Antikörper, die bezüglich der einfacheren Herstellung und hohen Robustheit den natürlichen weit überlegen sind. Hierzu wird aus einfachen Bausteinen ein hochvernetztes Polymer um das nachzuweisende Molekül oder Biopartikel generiert. Nach Herauslösen der Schablone bleibt der entsprechende molekulare Fingerabdruck im Material zurück. So können umweltschädliche Chemikalien, wie aromatische und halogenierte Kohlenwasserstoffe nachgewiesen werden, wobei eine einzelne Methylgruppe signifikante Unterschiede hervorruft. In Zeiten globaler Bedrohungen durch immer wieder neue Viren-Mutanten kann die Technik zum Nachweis und zur Unterscheidung der optisch unsichtbaren Viren eingesetzt werden. So gelang die spezifische Detektion von Tabakmosaikviren in Pflanzensäften oder auch sphärischer Rhinoviren, die gewisse Ähnlichkeiten zu den Vogelgrippeviren zeigen. Selbst die Unterscheidung der Rhinoviren-Serotypen, die alle eine identische, kugelförmige Gestalt von 30 nm Durchmesser aufweisen, wurde erfolgreich durchgeführt. Ausgehend von Bakterien- und Hefezellen wurden Säugerzellen, auch Krebszellen, untersucht, wobei selbst einzelne Zellen nachgewiesen werden konnten. Eine besondere Herausforderung von allgemeinem Interesse ist die Blutgruppenbestimmung, wozu ein Schnelltest entwickelt wurde. Obwohl die roten Blutkörperchen von flexibler Gestalt sind, gelang trotzdem über Oberflächenstrukturierungen die korrekte Zuordnung.