Biosensoren & Biochips for Sustainable Future

Fortgeschrittenes Niveau

Inhalt

Biosensoren & Biochips-Technologien: Beitrag zum nachhaltigen Leben der Zukunft

Das Gebiet der synthetischen Biologie ist in den letzten zehn Jahren explodiert und hat einen großen Einfluss auf Bereiche wie Metabolic Engineering, Protein Engineering, Digital Biology und Whole Genome Engineering. Im Rahmen von iterativen „Design-Build-Test“-Entwicklungszyklen hat ein bedeutender Teil der Innovationen der synthetischen Biologie stattgefunden. Im Bereich der Synthetischen Biologie kann Fortschritt mit Innovationen in jedem der Prozesse „Design“, „Build“ und „Test“ verbunden werden. So gab es beispielsweise einen großen Vorstoß zur Standardisierung von Elementen innerhalb der synthetischen Biologie, wobei der Modularität und „Plug-and-Play“-Komponenten große Aufmerksamkeit gewidmet wurde. Diese Modularisierung hat zusammen mit dem beschleunigten Fortschritt in der Systembiologie ermöglicht, dass die „Design“-Phase weniger zeitaufwändig und weniger abhängig von fortgeschrittenem Wissen ist. In den vergangenen Jahren sind die Kosten für die DNA-Sequenzierung und -Synthese ebenfalls dramatisch gesunken, was die kostengünstige Synthese großer Konstrukte ermöglicht. In der Bauphase hat dies eine schnelle Verbesserung ermöglicht und den Forschern geholfen, einen größeren Anteil des Raums der biologischen Lösung zu untersuchen. Schließlich ist innerhalb der „Test“-Phase der synthetischen Biologie auch das Hochdurchsatz-Screening in den Fokus gerückt. Das gestiegene „Design“- und „Build“-Potenzial hat zu einem erhöhten Erfolgsanspruch bei der Bewertung der Fülle neuer Designs beigetragen. Dies wiederum geschah durch die Einbindung von Robotern und Hochdurchsatzanalytik in das Laborumfeld, in dem neue Modelle auf einem Niveau evaluiert werden können, das für menschliche Forscher nicht erreichbar ist. Dadurch können große Konstrukte kostengünstig synthetisiert werden. In der Bauphase hat dies eine schnelle Verbesserung ermöglicht und den Forschern geholfen, einen größeren Anteil des Raums der biologischen Lösung zu untersuchen. Schließlich ist innerhalb der „Test“-Phase der synthetischen Biologie auch das Hochdurchsatz-Screening in den Fokus gerückt.

Biosensoren stellen eine bahnbrechende neue Technologie für das Hochdurchsatz-Screening dar, die implementiert werden kann. Genauer gesagt werden sie als analytisches Werkzeug klassifiziert, das aus biologischen Komponenten besteht, die zum Nachweis und zur Erzeugung eines Signals für die Anwesenheit eines Zielliganden verwendet werden. Die Synthetische Biologie steht an der Spitze der Biosensorik, sowohl als Werkzeug für das Hochdurchsatz-Screening, als auch als direktes Ergebnis von Entwicklungen auf dem Gebiet der Synthetischen Biologie selbst. Darüber hinaus haben Biosensoren aufgrund der beispiellosen Spezifität und Sensitivität, die biologische Teile im Vergleich zu herkömmlichen analytischen Methoden bieten, zunehmendes Interesse als Alternativen zur traditionellen Analytik gewonnen.

Das Design und der Bau von Biosensoren ist ein multidisziplinäres Unterfangen und kann Expertise in Bereichen wie Proteinengineering, Molekularbiologie, Affinitätschemie, Molekulardynamik von Nukleinsäuren, Materialwissenschaften und Nanotechnologie umfassen. Biosensoren verbinden sich in ihrem einfachsten Stadium mit einem Zielliganden, erfahren irgendeine Art von Modifikation und geben ein Signal aus. In allen Teilen dieses Prozesses gibt es eine große Vielfalt an möglichen Konfigurationen. Zielliganden reichen von einzelnen Atomen wie Calcium bis hin zu ganzen Proteinen wie Thrombin. So unterschiedliche Prozesse wie enzymatische Aktivität, Fluoreszenz, Erzeugung von elektrischem Strom und transkriptionelle Aktivität umfassen Ausgangssignale. Ebenso vielfältig sind die Mechanismen, die die Ligandenerkennung in funktionelle Signale umwandeln.

Im Bereich der Analytik stellen Biosensoren einen bedeutenden Fortschritt dar. Um die Analytik weg von rein physik- oder chemiebasierten Frameworks zu bewegen, hat die Integration biologischer Komponenten in die sensorische Diagnostik begonnen. Dies hat analytische Funktionen ermöglicht, die nicht gut an konventionelle Verfahren angepasst sind, um eine große Vielfalt und Spezifität biologischer Komponenten durchzuführen. Die theoretischen und demonstrierten Biosensoranwendungen decken einen bedeutenden Bereich der menschlichen Gesellschaft und Aktivität ab. Biosensoranwendungen werden je nach Messbereich in drei große Kategorien eingeteilt.

Gruppendiagnostik: Umwelt-, Landwirtschafts- und Industrieanwendungen
Point-of-Use-Diagnostik: Medizin- und Sicherheitsanwendungen
Einzelzelldiagnostik: Metabolic Engineering und Anwendungen der synthetischen Biologie

Biosensoren & Biochips: Fortschritte in der medizinischen Diagnostik

Biosensoren bestehen aus einem Biokatalysator, der ein biologisches Element erkennen kann, und einem Transducer, der das Auftreten der Biokatalysator- und der biologischen Elementkombination in einen messbaren Parameter umwandeln kann.

Der Biokatalysator kann über Biomoleküle wie Enzyme, DNA, RNA, Metabolite, Zellen, Oligonukleotide usw. und elektrochemische, kalorimetrische, optische, akustische, piezoelektrische usw. der Wandler sein. Biosensoren, die immobilisierte Zellen, Enzyme und Nukleinsäuren verwenden, sind in den letzten Jahren in der Krankheitsdiagnostik auf den Markt gekommen. Für die Entwicklung krankheitsdiagnostischer Biosensoren wurden auch Nanobiosensoren verwendet, die die ultrakleine Größe und die einzigartigen Eigenschaften nutzen. Der Einsatz von Biosensoren kann schnell den Gesundheitszustand, den Ausbruch und das Fortschreiten der Erkrankung bestimmen und mit Hilfe einer multidisziplinären Kombination aus Chemie, Medizin und Nanotechnologie helfen, die Behandlung vieler Krankheiten vorzubereiten. Die Geräte sind kostengünstig, reaktionsschnell, schnell, benutzerfreundlich und können in großen Mengen für den menschlichen Gebrauch hergestellt werden.

Solche von Cammann geprägten Biosensoren sind analytische Instrumente, die ein elektrisches Signal in eine biologische Reaktion umwandeln. Biosensoren können in der Regel hochpräzise sein und sollten recycelbar und unabhängig von physikalischen Grenzen wie pH, Temperatur sein. Ein praktischer Ansatz zum Design eines Biosensors erfordert Herstellungs-, Immobilisierungs- und Transduktionsgeräte, die multidisziplinäre Forschungstechniken sowohl in der Chemie als auch in der Biologie bieten.

Aufgrund ihres Wirkmechanismus werden die diagnostischen Biosensoren in vier große Gruppen eingeteilt:

Enzymbasierte biokatalytische Biosensoren
Bioaffinitätsgruppe, dh Anwesenheit von Antikörper, Antigen und Nukleinsäure
Mikroben, dh Mikroorganismen enthaltende Biosensoren
Nanosensoren, dh aktive Nanopartikelsensoren, die typischerweise die Sensitivität und Spezifität für die Früherkennung von Krankheiten erhöhen

Diese verschiedenen Arten von Biosensoren helfen dabei, Hormonspiegel, Medikamente, Toxine, Schadstoffe, Schwermetalle, Pestizide usw. mit signifikanter Spezifität zu identifizieren.

Biosensoren sind Werkzeuge, die üblicherweise biologische Markerniveaus oder jede chemische Reaktion schätzen, indem sie Signale erzeugen, die hauptsächlich mit der Konzentration eines Analyten in der chemischen Reaktion in Verbindung stehen. Typischerweise helfen solche Biosensoren bei der Überwachung von Krankheiten, der Entdeckung von Medikamenten, der Erkennung von Schadstoffen, der Erkennung von Bakterien, die Krankheiten verursachen, und Markern, die normalerweise auf Krankheitszustände wie Körperflüssigkeiten (Speichel, Blut, Urin, Schweiß usw.) hinweisen. Ein typischer Biosensor ist in Abbildung 1. Gezeigt.

Abbildung 1. Schematische Darstellung des Biosensors

Ein typischer Biosensor besteht aus:

Analyt: Eine Substanz von Interesse, wie Glukose für Diabetes, die bestimmt werden muss.
Biorezeptor: Ein Biorezeptor für Enzyme kann ein Molekül sein, das den Analyten erkennt.
Transducer: Normalerweise wird ein Bioerkennungsereignis in ein nachweisbares Signal umgewandelt, das als Signalisierung bezeichnet wird.
Elektronik: In Anzeigeform verarbeitet sie typischerweise das umgewandelte Signal.
Anzeige: Typischerweise ergibt sich die Flüssigkristallanzeige in Kombination mit Hard- und Software zur Biosensorgenerierung benutzerfreundlich.

Es gibt mehrere Biosensoranwendungen, die in verschiedenen Bereichen eingeführt wurden, z. B. in der Medizin, im Meeressektor, in der Lebensmittelindustrie usw., und diese Biosensoren sind oft auf eine verbesserte Empfindlichkeit und Linearität im Vergleich zu herkömmlichen Methoden programmiert. Die Anwendung von Biosensoren nimmt jedoch im Bereich der Medizin immer mehr zu.

Glukose-Biosensoren im Diabetesmanagement

Die Blutzuckerüberwachung ist zu einem wertvollen Instrument bei der Behandlung von Diabetes geworden, und die täglichen Blutzuckerspiegel werden typischerweise von konsultierten Klinikern aufrechterhalten, die eine Reihe von Blutzuckersensoren entwickelt haben. Diabetes mellitus ist die größte vorherrschende endokrine Störung des Kohlenhydratstoffwechsels mit einer höheren Morbidität und Mortalität in Entwicklungsländern. Bei Diabetikern sind Mehrfachtests zur Untersuchung und Überwachung von Diabetesmarkern üblich. Die wichtigsten Diagnosekriterien für Diabetes sind der Blutzuckerspiegel, zu dem auch die Selbstkontrolle des Blutzuckerspiegels durch Diabetiker gehört. Studien haben gezeigt, dass mikrovaskuläre (Nephropathie, Neuropathie und Retinopathie) und makrovaskuläre (koronare Herzkrankheit und Schlaganfall) Komplikationen durch Kontrolle des Blutzuckerspiegels im normalen Bereich verbessert werden können. Die Blutglukose wird bei gesunden Personen typischerweise im Bereich von 4,9-6,9 mM beobachtet und kann bei Diabetikern nach der Glukoseaufnahme auf bis zu 40 mM ansteigen. Obwohl verschiedene Arten von Glukosesensoren im Handel erhältlich sind, wird die dritte Generation von Glukose-Biosensoren gezeigt inFigur 2als Beispiel.

Abbildung 2. Glukose-Biosensor der dritten Generation

Erkennung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen mit Biosensoren

Die Zahl der weltweit durch Herz-Kreislauf-Erkrankungen (CVD) verursachten Todesfälle ist beträchtlich und mehr Menschen sterben an CVD als an jeder anderen Krankheit. Bis 2015 starben etwa 17,7 Millionen Menschen an Herz-Kreislauf-Erkrankungen, was insgesamt 31 % aller weltweiten Todesfälle entspricht. 7,4 Millionen davon waren auf eine koronare Herzkrankheit und 6,7 Millionen auf einen Schlaganfall zurückzuführen. Durch Medikamente und Therapie muss eine Person mit CVD früher erkannt und behandelt werden. Die aktuelle Strategie zur Erkennung von CVD basiert auf der traditionellen Methode, die normalerweise auf Tests basiert, die viele Stunden oder sogar Tage dauern können. Die WHO legt diese diagnostischen Kriterien fest, unter denen Patienten mindestens eine der Bedingungen wie Veränderungen im diagnostischen Elektrokardiogramm (EKG), Erhöhung biochemischer Marker in ihren Blutproben und charakteristische Brustschmerzen verfolgen sollten. Das EKG ist ein wichtiger Parameter für das Therapiemanagement, jedoch ist das EKG bei CVD ein schlechter diagnostischer Test, da die Hälfte der CVD-Patienten ein normales Kardiogramm aufweist, was die Diagnose dieser Erkrankung erschwert. Biosensoren helfen bei der schnellen Diagnose, bieten eine hervorragende Gesundheitsversorgung und reduzieren die Verzögerungszeit für die Verteilung der Ergebnisse, die für die Patienten eine immense Belastung darstellen kann.

Biosensor zur Erkennung von Krebs

Krebs ist eine der tödlichsten Krankheiten, und mehrere Forscher haben kürzlich Biosensoren zur Krebsfrüherkennung entwickelt. Die meisten Krebsarten werden typischerweise durch MRT-, Ultraschall- oder Biopsiemethoden diagnostiziert, die auf den physikalischen Eigenschaften und dem Vorhandensein des Tumors beruhen und entweder fortschrittliche oder invasive Instrumente identifizieren. Die Variationen der Gensequenzen, also Mutationen, verursachen in erster Linie Krebs und erfordern daher eine frühzeitige Diagnose, bevor die Krankheit fortschreitet. Die Krebsfrüherkennung macht die Behandlung schneller und erfolgreicher und eröffnet eine Biosensor-Plattform zur Erkennung von Krebsfrühstadien. Viele Experten gehen davon aus, dass bei Krebs eine Früherkennung möglich sein könnte, da Auffälligkeiten in der chemischen und genetischen Zusammensetzung lange vor Ausbruch der Krankheit erkannt werden können. Unkontrolliertes und unregelmäßiges Zellwachstum, das allgemein für Krebs gehalten wird, tritt aufgrund der Anhäufung einzigartiger genetischer Mutationen und epigenetischer Defekte auf. Die Tumorzellen sind resistent gegen Apoptose und die körpereigenen Abwehrmechanismen gegen Wachstum. Wenn es fortschreitet und beginnt, sich auf andere Körperorgane und -systeme auszudehnen, dh im Stadium der Metastasierung, wird der Krebs unheilbar. Die onkogene Stimulation und die Einschränkung der Funktion von Tumorsuppressorgenen (TSGs) sind die beiden wichtigsten Tumorentstehungsmechanismen. Aufgrund der Mutation oder Replikation eines normalen Gens (Proto-Onkogen) findet eine Aktivierung des Onkogens statt, das Schlüsselrollen einschließlich der Kontrolle des Zellwachstums, der Proliferation und/oder der Differenzierung spielt. Eine solche genetische Mutation führt das Gen dazu, eine überschüssige Menge seines Genprodukts zu produzieren, was zu einer Fehlregulation der Zellteilung, des Zellwachstums und der Tumorbildung führt. Viele Onkogene gelten als vielversprechende Krebsbiomarker für Wachstumsfaktorrezeptoren. Bei ~ 33 % aller Brustkrebserkrankungen ist der humane epidermale Wachstumsfaktor-Rezeptor Her-2 verstärkt, und Krebserkrankungen mit verstärktem Her-2 scheinen sich schneller zu entwickeln und zuzunehmen. Die Kenntnis des Her-2-Status ist daher für den Abschluss eines möglichen Medikationsverlaufs unerlässlich. Trastuzumab ist heute eine typische adjuvante Therapie für Patienten mit dieser Art von verstärkter Genexpression, ein rekombinanter humanisierter monoklonaler Antikörper, der auf Her-2 als unkomplizierte Behandlung von Brustkrebs abzielt. TSGs stehen im Zusammenhang mit der Kontrolle von unzureichendem Zellwachstum und -proliferation durch Minimieren oder Verhindern der Zellteilung. Retinoblastomprotein (Rb), BRCA1/2 und p53 sind drei der gut untersuchten TSGs bei Krebs. Rb ist ein Hauptregulator der Zellteilung, und Rb-Mutation spielt bei verschiedenen Krebsarten eine bedeutende Rolle. Die häufigsten Ursachen für die Inaktivierung des Rb1-Gens sind Punktmutationen und Deletionen. BRCA1 ist ein DNA-Reparaturenzym, das mit dem „Korrekturlesen“ von neu replizierter DNA auf Genauigkeit und Mutationensuche in Verbindung gebracht wird. Bis sich die Zelle teilt, arbeiten DNA-Reparaturenzyme normalerweise daran, Replikationsfehler auszuschneiden. BRCA1-Genmutationen sind für 50 % der erblichen Brustkrebserkrankungen und 80-90 % der erblichen Brust- und Eierstockkrebsarten verantwortlich. Schließlich ist das p53-Protein ein Hauptregulator der Apoptose oder des programmierten Zelltods. In Gehirn, Brust, Dickdarm, Lunge, hepatozellulären Karzinomen und Leukämie werden p53-Mutationen gefunden. Eine weitere signifikante Beteiligung am p53-Verlust besteht darin, dass er zum Resistenzmechanismus von Chemotherapeutika führt.

Biochip in der Diagnostik

Der DNA-Biochip eröffnet ein neues genetisch basiertes Feld der Diagnostik. Die Art und Weise, wie die Mediziner Bluttests durchführen, könnte durch einen neu entwickelten DNA-Biochip revolutioniert werden. Mit dem streichholzschachtelgroßen Biochip sind sie praktisch sofort da, ohne dass ein Patient mehrere Tage auf Ergebnisse aus einem Labor warten muss. Und ohne Einbußen bei der Genauigkeit erfordert es weniger Blut. Der DNA-Biochip reduziert den Bedarf an radioaktiven Markierungen für den Nachweis und spart zusätzlich Zeit. Für Techniker und Labormitarbeiter, die Proben handhaben und Tests durchführen, reduziert dies die Kosten und zukünftige Auswirkungen auf die Gesundheit erheblich. Es senkt auch die Entsorgungskosten, das nach strengen Vorschriften mit chemisch gekennzeichnetem Blut gehandhabt werden muss.

Ein Biosensor muss hochempfindlich und in der Lage sein, beispielsweise zwischen Bakterien, Viren oder anderen chemischen oder biologischen Spezies zu unterscheiden, um zum Nachweis von Verbindungen in einer Probe aus dem wirklichen Leben nützlich zu sein. Laut Vo-Dinh, der klarstellte, dass der Biochip die ausgeklügelten Erkennungsfähigkeiten eines lebenden Systems nachahmt, tun dies DNA-Biochips. Der DNA-Biochip ist ein auf Gensonden basierender Biosensor, im Gegensatz zu anderen Biosensoren, die auf Enzym- und Antikörpersonden basieren. Biosensoren auf Gensondenbasis bieten eine außergewöhnliche Selektivität und Sensitivität, was sie zu wertvollen Werkzeugen für die Diagnose genetischer Krankheiten und infektiöser Arten macht.

Biochip bei Tuberkulose-Epidemie

Die Entwicklung neuer Biochip-Technologien durch russische und amerikanische Wissenschaftler könnte Hoffnung machen, das weltweite Wiederaufleben der Tuberkulose zu stoppen. Die Technologie wurde vom Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums und dem WA Englehardt Institute of Molecular Biology (Moskau) der Russischen Akademie der Wissenschaften entwickelt und soll helfen, die derzeitige Vielfalt arzneimittelresistenter Stämme der Krankheit zu bekämpfen.

Die Weltgesundheitsorganisation berichtet, dass an Tuberkulose mehr junge Menschen und Erwachsene sterben, einschließlich AIDS und Malaria zusammen, als an jeder anderen Infektionskrankheit. Die größte Herausforderung der anhaltenden Tuberkulose-Epidemie besteht darin, dass die Krankheit durch mehrere verschiedene Bakterienarten verursacht werden kann und jede einzelne gegen verschiedene Medikamente resistent ist. Das entscheidende Element bei der Kontrolle der Krankheit besteht darin, den Stamm zu bestimmen, der einen bestimmten Patienten betrifft, und das beste Antibiotikum zur Bekämpfung dieses Stamms zu bestimmen. Um zwischen zahlreichen Tuberkulose-Stämmen zu unterscheiden, will Argonne die Biochip-Technologie in der Forschung einsetzen. Zunächst würden Tests an Segmenten von genetischem Material durchgeführt, die Tuberkulosebakterien entnommen wurden. Biochips sind so konzipiert, dass sie gleichzeitig eine Reihe biochemischer Reaktionen durchführen und haben sich in Labortests als zufriedenstellend erwiesen. Da der Nachweis bestimmter Tuberkulosestämme Wochen oder Monate dauert, werden Patienten häufig mehrere Antibiotika gleichzeitig verschrieben.

Biochip bei Krebs

Die Biosensor-Chip-Technologie bietet auch schnellen und einfachen Zugang zu wichtigen Informationen über krebserregende DNA-Schäden, die die Forscher im Kampf gegen Krebs einen Schritt näher bringen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden der Biosensorik bietet eine laserbasierte, hochauflösende und Niedertemperatur-Fluoreszenzmethode einen präzisen Fingerabdruck des Moleküls. Möglicherweise fördert die einfache Handhabung den Ersatz invasiver endoskopischer Verfahren und hilft, Dickdarmkrebs frühzeitig zu erkennen.

Biosensoren & Biochips für Lebensmittel und Landwirtschaft

Die heutige Nahrungsmittelproduktion steht vor immensen Herausforderungen durch die wachsende Bevölkerung, die Erhaltung sauberer Ressourcen und Nahrungsmittelqualität sowie den Schutz von Umwelt und Klima. Lebensmittelnachhaltigkeit ist hauptsächlich eine gemeinsame Anstrengung, die zur Entwicklung von Technologien führt, die sowohl von Regierungen als auch von Unternehmen finanziert werden. Mehrere Versuche wurden unterstützt, um Herausforderungen zu überwinden und die Triebkräfte in der Lebensmittelproduktion zu verbessern. Biosensoren und Biosensor-Technologien werden über ihre Anwendungen weit verbreitet eingesetzt, um die großen Herausforderungen der Lebensmittelproduktion und deren Nachhaltigkeit zu lösen. Dadurch steigt der Bedarf an Biosensorik im Bereich der Lebensmittelnachhaltigkeit. Die Mikrofluidik definiert ein technologisches System, das mehrere Technologien kombiniert. Nanomaterialien mit ihrer Biosensor-Technologie, ist bekannt als das innovativste Instrument, das mit der Weltbevölkerung im Umgang mit Gesundheits-, Energie- und Umweltfragen eng verbunden ist. Der Bedarf an Point-of-Care-Technologie (POC) in diesem Bereich konzentriert sich auf Analysewerkzeuge, die schnell, einfach, präzise, kompakt und kostengünstig sind.

Für unsere Existenz und unser Leben ist Nahrung mit ihrer Produktionsindustrie unerlässlich; und ihre Nachhaltigkeit ist für das kontinuierliche menschliche Wachstum auf dem Planeten von wesentlicher Bedeutung. Die gegenwärtige Nahrungsmittelproduktion steht vor immensen Schwierigkeiten durch die Zunahme der menschlichen Bevölkerung, die Erhaltung sauberer Ressourcen und Nahrungsmittelqualität sowie den Schutz von Umwelt und Klima. Einige dieser Probleme stammen aus der Lebensmittelproduktion selbst; andere stammen aus anderen mit der Lebensmittelproduktion verbundenen Industrien. Lebensmittelrückrufe zum Beispiel verursachen mit schätzungsweise 15 Millionen US-Dollar pro Vorfall in den letzten Jahren großen Schäden für die Glaubwürdigkeit und das Prestige von Lebensmittelmarken. 48 Millionen Krankheitsfälle sind jährlich für 3000 Todesfälle durch lebensmittelbedingte Krankheiten verantwortlich.

Lebensmittelsicherheit ist weitgehend eine gemeinsame Anstrengung von Regierungen und Unternehmen in der Technologieentwicklung. Um neue Herausforderungen in Fragen der Lebensmittelsicherheit zu stellen, können Informationstechnologien wie die Blockchain-Technologie die Kommunikation zwischen Lebensmittelqualität, Medien und Verbrauchern beschleunigen. Fünf Herausforderungen können als die Hauptherausforderungen bei der Nachhaltigkeit der Lebensmittelproduktion zusammengefasst werden: die Herausforderung der Lebensmittelsicherheit bei der Produktion; die Qualitätsherausforderung der Lebensmittelvielfalt und -qualität; die wirtschaftliche Herausforderung im führenden Lebensmittelsystem, einschließlich seiner Verpackung und Lieferkette; die Umweltherausforderung, einschließlich der Verarbeitung von Lebensmittelabfällen; und die technische Herausforderung bei der Schaffung und Erzeugung neuartiger Lebensmittel.

Grundsätzlich ist ein Biosensor ein analytisches Instrument, das verwendet wird, um das interessierende Molekül (Ziel) einer Probe zu messen. Im Allgemeinen wird ein für das Ziel einzigartiger Bioerkennungsfaktor (Aptamer, Antikörper, Enzym usw.) verwendet. Durch molekulare Erkennungsereignisse zwischen dem Erkennungselement und der Zielverbindung wird ein physikalisch-chemisches oder biologisches Signal ausgelöst, das durch den Transducer in eine messbare Größe umgewandelt wird. Die Signale werden entweder optisch (kolorimetrisch, Fluoreszenz, Chemilumineszenz und Plasmonenoberflächenresonanz) oder elektrisch (Voltammetrie, Impedanz und Kapazität) oder in jedem anderen gewählten Format angezeigt (Abbildung 3).

Abbildung 3. Klassifizierung von Biosensoren basierend auf Transducer- und Bioerkennungselementen, die in der Lebensmittelanalyse verwendet werden

Als eines der Hauptziele der Lebensmittelanalyse ist die Lebensmittelsicherheit ein wichtiges Gesundheitsproblem sowohl für das Leben von Tieren als auch für den Menschen. Der Fortschritt der Analysetechnologie für die Lebensmittelsicherheit bedeutet, dass sie im Einklang mit dem steigenden Interesse an und dem Schwerpunkt auf Fragen der Lebensmittelversorgungssicherheit gedeiht. In der Lebensmittelsicherheitsanalyse sind traditionelle Ansätze arbeitsintensiv, zeitaufwändig und erfordern geschulte Techniker. Die Anwendung der Mikrofluidik in der Lebensmittelsicherheitsanalyse bietet neue Erkenntnisse darüber, wie durch Lebensmittel übertragene Toxine, Allergene, Krankheitserreger, Gefahrstoffe, Schwermetalle und andere Kontaminanten effektiv und schnell nachgewiesen werden können. Die Eigenschaften der Mikrofluidik, wie Miniaturisierungsfähigkeit, kompakte und reduzierbare Proben- und Reagenzienmengen, machen sie zu einer perfekten Technologie für die Entwicklung der Nachhaltigkeit von Lebensmitteln. Die komplexe Zubereitung der Lebensmittelmatrix und schwierige Herstellungsschritte sind die aktuellen Herausforderungen bei der Anwendung der Mikrofluidik auf die Nachhaltigkeit von Lebensmitteln. Diesen Herausforderungen kann begegnet werden, indem physikalische Eigenschaften in Abhängigkeit von spezifischen Testzielen genutzt, komplexe mikrofluidische Plattformen für die reale Lebensmittelanalyse entwickelt und Biomoleküle wie Lebensmittelproteine und DNA in mikrofluidische Systeme integriert werden.

Nanomaterialien in der Biosensorik

Mit ihrer Biosensor-Technologie sind Nanomaterialien das meistversprechendste Werkzeug im Umgang mit Gesundheits-, Energie- und Umweltproblemen der Bevölkerung in der Welt. Als Nanomaterialien werden Partikel bezeichnet, die in mindestens einer Größendimension kleiner als 100 nm sind. Bei diesen Nanomaterialien handelt es sich um Biokompositpolymere auf Basis von Metall, Metalloxid und Kohlenstoff, und es wurden verschiedene Arten von Nanopartikeln etabliert, wie magnetische Eisen-, Aluminium-, Gold-, Silber-, Kupfer-, Siliziumdioxid-, Zink-, Zinkoxid-, Ceroxid- und Titandioxid-Nanopartikel. und ein-/mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (CNTs). Die Nanotechnologie und ihre landwirtschaftliche Entwicklung wurden in verschiedenen Bereichen stark ausgeweitet. Zu diesen Bereichen gehören die Lebensmittelproduktion, der Pflanzenschutz, der Nachweis von Krankheitserregern und Toxinen, die Wasserreinigung, die Lebensmittelverpackung, die Abwasserentsorgung, und Umweltsanierung. Die Verbesserung der Produktivität und Leistung der Anwendungen ist die Priorität dieser landwirtschaftlichen Bereiche.

Im Bereich Lebensmittelsicherheit und -schutz wurden Biosensor-Technologien für den Nährstoff- und Qualitätsnachweis, den Nachweis von Krankheitserregern und den Nachweis von Toxinen entwickelt, wie unten aufgeführt.

Nährstoff- und Qualitätsnachweis

Lebensmittelschutzmaßnahmen können in zwei Kategorien unterteilt werden: Verlust nach der Ernte und Biosicherheit der Lebensmittel. Biosicherheit von Nahrungsmitteln bedeutet Kontamination und Degradation von Nahrungsmitteln, die in den späteren Abschnitten angesprochen werden, durch ökologische, politische, unfaire wirtschaftliche Gewinne, Krieg oder Rache. Andererseits deutet der Verlust nach der Ernte auf die Nährstoffe und essbaren Bedingungen in Lebensmitteln hin, die zwischen der Erntezeit und dem Moment des Verzehrs durch Technologien aufrechterhalten werden müssen. Da die Zeit von Minuten bis Jahren unterschiedlich ist, sind bei der Aufrechterhaltung und Reduzierung von Verlusten Technologien wichtig, die sich auf die Reduzierung von Nachernteverlusten konzentrieren.

Um die Lebensmittelqualität zu erhalten und Nachernteverluste zu vermeiden, können neue Technologien wie Biosensorik eingesetzt werden. Biosensoren wurden beispielsweise entwickelt, um Süßstoffmengen in Lebensmitteln zu erkennen und zu analysieren, mit denen sowohl natürliche als auch künstliche Süßstoffe nachgewiesen werden können. Süßstoffe werden häufig in der Lebensmittelproduktion und -verarbeitung verwendet, aber vor kurzem wurde festgestellt, dass sie beim Menschen gesundheitliche Probleme verursachen. Ein Mehrkanal-Biosensor wurde entwickelt, um die elektrophysiologische Erfassung von Geschmacksepithelien zu nutzen, um sowohl natürliche als auch künstliche Süßstoffe zu erkennen und zu analysieren. Um Langzeitsignale von Saccharose, Glucose, Cyclamat bzw. Saccharin zu erkennen, werden die Signale durch raumzeitliche Techniken untersucht. Der Biosensor kann zwischen verschiedenen Konzentrationen mit dosisabhängig erhöhten Reaktionen des Geschmacksepithels von verschiedenen Süßungsmitteln unterscheiden. Es kann auch zwischen zwei natürlichen Süßstoffen unterscheiden: Saccharose und Glukose, mit zwei Signalmustern. Für Glukose beträgt der Nachweisbereich 50–150 mM und für Saccharin 5–15 mM.

Nachweis von Krankheitserregern

Aufgrund ihres reduzierten Formats können Biosensoren zum Nachweis von Krankheitserregern wie Bakterien (Tabelle 1) und Pilzen (Tabelle 2) eingesetzt werden. Das begann vor mehr als zwei Jahrzehnten: ein Gerät, um mehrere Probleme zu beheben, und eine Multi-Panel-Signalerkennung. Das Ligandenmotiv ist ein entscheidendes Element im Biosensordesign für den Pathogennachweis, da es die Empfindlichkeit und Effizienz des Geräts bestimmt. Ziel ist es, eine schnelle, spezifische und sensitive Plattform zu etablieren, um in Lebensmittelproben das Vorhandensein oder Fehlen von Krankheitserregern nachzuweisen. Es wurde entdeckt, dass es keinen idealen Liganden gibt und verschiedene Liganden unterschiedliche Vorteile haben. Die Kombination von Biorezeptoren zum Nachweis einer großen Vielfalt von Mikroben in verschiedenen Proben stellt aktuelle Herausforderungen beim Nachweis von Pathogen-Biosensoren dar; neue synthetische Ligandendesigns wie Aptamere, kleine Moleküle und Peptide; und der Einbau verschiedener Liganden in ein tragbares Gerät, um einen schnellen, effektiven und kostengünstigen Nachweis zu erreichen.

Tabelle 1. Bedingungen für die Anzahl der in Milch gewachsenen Bakterien

Temperatur °C	24 Stunden	48 Stunden	96 Stunden	168 Stunden
0	2100	2100	1850	1400
4	2500	3600	218,000	4,200,000
8	3100	12,000	1,480,000
10	11,600	540,000
15	180,000	28,000,000
30	1,400,000,000

Tabelle 2. Temperatur- und Wasseraktivitätsanforderungen für das Pilzwachstum

Spezies	Minimum	Optimum	Maximal	Minimum	Optimum
Aspergillus ruber	5	24	38	0.72	0.93
A. amstelodami	10	30	42	0.70	0.94
A. flavus	12	35	45	0.80	0.99
A. fuminatus	12	40	52	0.83	0.99
A. niger	10	35	45	0.77	0.99
Penicillium martensii	5	24	32	0.90	0.99

Nachweis von Toxinen

Der Hauptstrom der Entwicklung in der Lebensmittelsicherheit sind elektrochemische Biosensoren zum schnellen Nachweis und zur Bewertung von Lebensmittelgiften. Es wurden zahlreiche Plattformen entwickelt, um kundenspezifische und individualisierte Geräte zu ermöglichen, um besondere Umwelt- und Organisationsanforderungen zu erfüllen und die Nachweisgrenzen von nM bis fM zu erreichen. Um beispielsweise einzigartige Bindungsprofile zu fördern, adressieren Biorezeptor-Arrays einzelne Elektroden, die mit verschiedenen Biorezeptoren mit Bindungszielen funktionalisiert sind. Neben der elektrochemischen Biosensorik wurden Toxin- und chemische Detektion in der Lebensmittelproduktion auch auf andere Biosensoren wie optische und piezoelektrische Sensoren angewendet (Figur 4). Um Giftstoffe zu erkennen, wurden fluoreszierende Nanopartikel in Lebensmitteln und Körpern hergestellt, einschließlich oberflächlicher, inter- und intrazellulärer Lebensmittel.

Abbildung 4. Vorherrschende Lebensmittelkontaminanten und die Zielanalyten in der Lebensmittelindustrie

Die Toxinextraktion aus komplizierten Lebensmittelproben ist eines der Haupthindernisse bei der Entwicklung eines vollautomatischen Toxindetektors. Um ihre schädlichen Konzentrationen aus Lebensmittel- und Wasserproben automatisch zu bestimmen, wird erwartet, dass potenzielle Systeme Toxine extrahieren, verarbeiten und messen. Bei der Identifizierung, Unterscheidung und Quantifizierung chemischer Toxine in Lebensmittelmatrices wurden ausgeklügelte Trennstrategien mit SERS gekoppelt. Darüber hinaus können chemische Verunreinigungen aus der Lebensmittelverarbeitung eine Herausforderung darstellen, auch wenn sie normalerweise in geringeren Mengen vorliegen. Geringere Stabilität, Selektivität und Sensitivität sind eine weitere Herausforderung beim Nachweis von Lebensmitteltoxinen, bei denen MIPs eine Lösung sein können, um stabile und kostengünstige Alternativen bereitzustellen.

Schwermetalle wie Ag+, As3+, Cd2+, Hg2+, Pb2+ und Zn2+ sind als chemische Schadstoffe bekannt, die stabile Oxidationszustände bilden und Stoffwechselwege stören, was zu Gesundheitsproblemen führt. Aptamer- und DNA-basierte Biosensoren können Schwermetalle sowohl im Nanobereich als auch im sehr großen Maßstab nachweisen, was für das Screening und die Überwachung der Lebensmittelsicherheit geeignet ist. Um Arsenat in Lebensmitteln nachzuweisen, basiert ein schwermetalldetektierender Biosensor auf gentechnisch veränderten Bakterienzellen und einem grün fluoreszierenden Signalverstärker. Mit einem Detektionsbereich von 5-140 μg/L Arsen dauert die Arsen-Detektion nur eine Stunde und kann in die optische Ausgangsleistung für seine zukünftige Biosensor-Lichtleitfaser integriert werden. Andere Biosensortechnologien sind zum Beipiel Aptamere,

Die Nanotechnologie wurde auf zwei getrennte Bereiche von Pestiziden für die Landwirtschaft und Ernährung angepasst: als Träger von Pestiziden für das Pestizidmanagement und als Spurenmengendetektor für Pestizide. Im ersten Bereich sind Nanopartikel in der Lage, Pestizide langsam zu modifizieren, um Insektenschädlinge zu bekämpfen, was dazu beiträgt, die Verschmutzung des Grundwassers und des Oberbodens zu verhindern, den Pestizidgehalt zu senken und die Effizienz zu verbessern. Im zweiten Feld verbessert bio- oder biomimetisch basierte Nanotechnologie wie Antikörper, Enzyme, Aptamere und MIP-ähnliche Makromoleküle die Stabilität, Selektivität, Sensitivität und Nachweisgeschwindigkeit. Darüber hinaus sind Bakterien-, Pilz-, Algen- und Säugerzellen zellbasierte Biosensoren, die beim Nachweis von Pestiziden und Herbiziden verwendet werden und helfen, schnelle, zuverlässige, Echtzeit- und kostengünstige Werkzeuge für Dekontaminationsverfahren und präventive Unfallschäden zu entwickeln.

Karzinogene, Geruchsstoffe und Meeresschadstoffe sind weitere Giftstoffe, die bei der Lebensmittelproduktion von Bedeutung sind. Karzinogene sind eine komplexe Gruppe von Spuren von Toxinen, wie Pestizide, Schwermetalle, Mykotoxine und Acrylamid, bei denen die Schwierigkeit der Identifizierung von Spurenmengen eine Herausforderung darstellt; und geprägte Aptamere, Nanotechnologie und Biosensorik sind optimistisch für eine vielversprechende zukünftige Verwendung. Empfindliche und lösliche Moleküle, die bei der Geruchserkennung für olfaktorische Tiersysteme wirksam sind, sind geruchsbindende Proteine. Es wurde ein Nanosensor entwickelt, der lokalisierte SPR und kleine geruchsstoffbindende Proteine von Honigbienen kombiniert, wobei der Nachweisbereich 10 nM – 1 mM unter Verwendung einer quantitativen Anordnung von Nanobechern beträgt. Um eine stabile Umgebung für marine Nahrungssysteme zu überwachen und zu erhalten, wird die Erkennung von Meereskontaminanten verwendet.

Ein weiteres Entwicklungskit für Biosensoren für die Lebensmittelsicherheit konzentriert sich auf den Nachweis von genetisch veränderten Organismen (GVO) in Lebensmitteln. Seit den 1990er Jahren gelten GVO in allen Bereichen landwirtschaftlicher Produkte als biotechnologische Revolution. Derzeit sind mehr als 45 Prozent der weltweit angebauten Sojabohnen, 40 Prozent des Maises und 50 Prozent der Baumwolle gentechnisch veränderte Produkte; und GM wird auch in der Viehzucht verwendet. Neuere Forschungen zeigen jedoch, dass GVO-Produkte den menschlichen und tierischen Körper durch Magen-Darm-Probleme, Antibiotikaresistenz, Allergenität, Diversität des Abbaus von landwirtschaftlichen Produkten und unerwünschten Genfluss auf andere Arten beeinträchtigen können. Biosensoren wurden entwickelt, um GVO in Lebens- und Futtermitteln mit isothermer DNA-Amplifikation und schneller Erkennung von Signalen zu messen, um gv-Gene zu identifizieren.

Biosensoren & Biochips für die Umweltüberwachung

Aufgrund des starken Zusammenhangs zwischen Umweltverschmutzung und menschlicher Gesundheit/sozioökonomischem Fortschritt ist die Umweltüberwachung zu einer Priorität auf europäischer und globaler Ebene geworden. Biosensoren werden auf diesem Gebiet häufig als kostengünstige, schnelle In-situ- und Echtzeit-Analysetechniken verwendet. Die jüngste Entwicklung von Biosensoren mit neuen Transduktionsmaterialien aus der Nanotechnologie und für den Multiplex-Schadstoffnachweis unter Einbeziehung multidisziplinärer Experten erklärt den Bedarf an kompakten, schnellen und intelligenten Biosensorgeräten. Bei der Überwachung von Luft-, Wasser- und Bodenverunreinigungen durch Biosensoren unter realen Bedingungen gibt es mehrere neuere Entwicklungen, wie Pestizide, hochgiftige Komponenten und kleine organische Moleküle, einschließlich Toxinen und endokrin wirksamen Chemikalien.

Biosensoren, die in der Umweltüberwachung verwendet werden, können aufgrund ihrer Transduktion in optische (einschließlich Glasfaser- und Oberflächenplasmonenresonanz-Biosensoren), elektrochemische (einschließlich amperometrische und Impedanz-Biosensoren) und piezoelektrische (einschließlich Quarzkristall-Mikrowaagen-Biosensoren) oder als Immunsensoren, Aptasensoren, Genosensoren kategorisiert werden. Hinzukommen enzymatische Biosensoren, die sich auf ihren Erkennungselementen bzw. bei Verwendung von Antikörpern, Aptameren, Nukleinsäuren und Enzymen basieren lassen. Die meisten Biosensoren in der Umweltüberwachung werden als Immunsensoren und enzymatische Biosensoren anerkannt, aber die Entwicklung von Aptasensoren hat in letzter Zeit aufgrund der vorteilhaften Eigenschaften von Aptameren, wie einfache Modifizierung, thermische Stabilität, In-vitro-Synthese und die Fähigkeit, ihre Struktur zu entwerfen, zugenommen.

Die Studie zum Design von Biosensoren zur Überwachung von organischen Schadstoffen, potenziell toxischen Elementen und Krankheitserregern in der Umwelt hat aufgrund der Umweltverschmutzungsprobleme, mit denen die menschliche Gesundheit konfrontiert ist, zu einer nachhaltigen Entwicklung der Zivilisation geführt. Verschiedene chromatographische Techniken (wie Gaschromatographie und Hochleistungsflüssigkeitschromatographie in Kombination mit Kapillarelektrophorese oder Massenspektrometrie) sind konventionelle Analysemethoden zur Umweltüberwachung von Schadstoffen, die jedoch teure Reagenzien, zeitaufwändige Probenvorbehandlung und teure Geräte erfordern. Also, zur Überwachung von Schadstoffen, die für schädliche Auswirkungen auf Lebensräume und die menschliche Gesundheit verantwortlich sind, für sensible, kostengünstige, schnellere, einfacher und kompaktere Biosensor-Geräte werden dringend benötigt, um die Vergrößerung von Umweltproblemen zu überwinden. Im Falle einer versehentlichen Freisetzung von Pestiziden oder einer akuten Vergiftung sind beispielsweise übliche Methoden nicht für In-situ-Messungen geeignet, bei denen schnelle, miniaturisierte und tragbare Geräte wie Biosensoren zur Umweltüberwachung erforderlich sind. In dieser Hinsicht ist die Rolle der Nanotechnologie bei der Entwicklung schneller und intelligenter Biosensorik-Geräte entscheidend für den Erfolg des Nachweises von Umweltschadstoffen. Die neuesten Biosensoren umfassen Nanomaterialien und neuartige Nanokomposite in ihren Systemen, die für die Verbesserung der analytischen Leistung, wie Empfindlichkeit und Nachweisgrenzen, von Vorteil sind. Gängige Methoden sind nicht für In-situ-Messungen geeignet, bei denen schnelle, miniaturisierte und tragbare Geräte wie Biosensoren zur Umweltüberwachung erforderlich sind. In dieser Hinsicht ist die Rolle der Nanotechnologie bei der Entwicklung schneller und intelligenter Biosensorik-Geräte entscheidend für den Erfolg des Nachweises von Umweltschadstoffen.

Für den Nachweis und die Überwachung verschiedener Umweltschadstoffe wurden Biosensoren, einschließlich Immunsensoren, Aptasensoren, Genosensoren und enzymatische Biosensoren, unter Verwendung von Antikörpern, Aptameren, Nukleinsäuren und Enzymen als Erkennungselemente dokumentiert.

Pestizide

Pestizide gehören aufgrund ihrer großen Präsenz in der Umwelt zu den bedeutendsten Umweltschadstoffen. In der Landwirtschaft werden beispielsweise phosphororganische Insektizide häufig verwendet und stellen eine Gruppe von Pestiziden dar, die aufgrund ihrer hohen Toxizität von immenser Umweltbelastung sind. Daher haben sich einfache, reaktionsschnelle und miniaturisierte In-situ-Methoden wie Biosensoren als analytische Strategien für deren Nachweis und Überwachung etabliert, ohne dass eine umfassende Probenvorbehandlung erforderlich ist.

Amperometrische enzymatische Einweg-Biosensoren (Acetylcholinesterase) wurden für den Nachweis von Organophosphor-Insektiziden unter Verwendung von Paraoxon als Modellanalyt vorgeschlagen, der eine selbstorganisierte Cysteamin-Monoschicht auf Gold-Siebdruckelektroden aufbringt. Die Einweg-Biosensoren zeigten ein lineares Spektrum von bis zu 40 ppb mit einer Nachweisgrenze von 2 ppb und einer Empfindlichkeit von 113 µA mM cm-2. Bei Verwendung der selbstorganisierten Monoschicht könnte ein gutes analytisches Ergebnis auf die stark orientierte Enzymimmobilisierung zurückzuführen sein. Nach Tests in Flusswasserproben, die mit 10 ppb Paraoxon versetzt waren, wurden Wiederfindungen von 97 ± 5 Prozent (n = 3) berichtet, was auf die Wirksamkeit solcher enzymatischer Biosensoren hinweist. Darüber hinaus entfallen durch den Einsatz von Einweg-Siebdruckelektroden zeitaufwändige Verfahren wie die Reaktivierung immobilisierter Enzyme unter Verwendung von z.B.

Nanopartikel auf Basis von Iridiumoxid wurden in dem enzymatischen Einweg-Biosensor mit Tyrosinase basierend auf kostengünstigen siebgedruckten Kohlenstoffelektroden zum Nachweis von Chlorpyrifos in Flusswasserproben verwendet. Es wurde über eine lineare Biosensorantwort (0,01–0,1 μM) und eine niedrige Nachweisgrenze (3 nM) berichtet, was auf die hohe Leitfähigkeit der Nanopartikel von Iridiumoxid und die Tyrosinase-Effizienz zurückzuführen sein könnte. Wiederfindungstests wurden in Flusswasserproben unter Zugabe von 0,1 μM Chlorpyrifos durchgeführt und es wurden Wiederfindungen von 90 ± 9,6 Prozent mit einer Reststandardabweichung (RSD) von weniger als 10 Prozent (n = 3) erzielt, um die Anwendbarkeit des Biosensors zu demonstrieren .

Acetamiprid wurde durch kolorimetrische Aptasensoren und Wasserproben durch impedimetrische Aptasensoren in realen Umweltproben, wie frischen Oberflächenbodenproben, nachgewiesen. Beim kolorimetrischen Aptasensor wurde ein linearer Bereich von 75 nM bis 7,5 μM und eine Nachweisgrenze von 5 nM beobachtet, während beim impedimetrischen Aptasensor ein breiterer linearer Bereich (50 fM bis 10 μM) und eine untere Nachweisgrenze (17 fM) beobachtet wurden. Goldnanopartikel, mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWCNT) und reduzierte Graphenoxid-Nanobänder wurden in diesem Biosensor als Verbundwerkstoff verwendet, um das Acetamiprid-Aptamer der Elektrodenoberfläche zu erhalten, das für einen höheren Elektronentransfer und eine verbesserte analytische Leistung des Biosensors verantwortlich sein könnte.

Krankheitserreger

Das Vorhandensein von Krankheitserregern in Umweltmatrizen und insbesondere in Wasserkompartimenten könnte ein ernsthaftes Risiko für die menschliche Gesundheit darstellen, und kürzlich wurden einige Biosensoren für die Überwachung der Umwelt vorgeschlagen. Beispielsweise wurden für den Nachweis von metabolisch aktiver Legionella pneumophila in komplexen Umweltwasserproben schnelle und präzise optische Biosensoren basierend auf Oberflächenplasmonenresonanz vorgeschlagen. In einer Studie beruhte das Nachweisprinzip auf der Identifizierung bakterieller RNA durch die immobilisierte RNA-Detektorsonde auf der Goldoberfläche des Biochips. Zur Signalverstärkung wurden Streptavidin-konjugierte Quantenpunkte verwendet, und die Nachweiszeit betrug ungefähr drei Stunden, was die Lebensfähigkeit der Biosensorvorrichtung für einen erfolgreichen Bakteriennachweis im Bereich von 104-108 KBE ml^-1 anzeigt.

Potenziell giftige Elemente

Die Belastung der natürlichen Gewässer mit Schwermetallen und entsprechenden Ionen kann erhebliche Risiken für die menschliche Gesundheit darstellen und kompakte, kostengünstige und schnelle Schwermetallanalysen haben weltweit Priorität. Als Modelltarget zum Testen eines optischen DNA-Biosensors zum Nachweis extrem giftiger und in der Umwelt häufig vorkommender Schwermetallionen wurden Quecksilberionen (Hg2+) verwendet. Der Biosensor war kompakt, kostengünstig und schnell mit einem In-situ-Screening von Hg2+ in natürlichen Gewässern in weniger als 10 Minuten. Das Detektionsprinzip konzentriert sich auf die Fähigkeit bestimmter Metallionen, selektiv an bestimmte Basen zu binden, um stabile metallvermittelte DNA-Duplexe zu bilden; im Fall von Hg2+ können Thyminbasen selektiv koordiniert werden, um stabile Thymin-Hg2+-Thymin-Komplexe zu bilden. Im Nachweisbereich zwischen 0 und 1000 nM gilt eine Nachweisgrenze von 1.

Für den Nachweis von Pb2+ in Wasserproben (Teich- und Seewasserproben) unter Verwendung von DNAzymen/carboxylierten magnetischen Beads und DNA-Aptameren wurden kürzlich zwei fluoreszenzbasierte optische Biosensoren vorgeschlagen. Die Nachweisgrenzen von 5 nM bzw. 61 nM wurden von Biosensoren auf Basis von DNAzymen und DNA-Aptameren mit einem jeweiligen linearen Nachweisbereich von 0 bis 50 nM bzw. 100 bis 1000 nM eingehalten. Die Verwendung eines markierungsfreien einzigartigen Farbstoffs (SYBER Green I), der mit doppelsträngiger DNA interkaliert wurde und starke Fluoreszenzintensitäten zeigt, wie in Abbildung 5. Darüber hinaus wird das Fehlen der Biosensor-Fluoreszenzintensität nur mit dem Farbstoff beobachtet (Kurve a). Beim DNAzym + Pb2+ (Kurve b) nimmt die Fluoreszenzintensität mit der Zugabe von Farbstoff + DNAzym + Pb2+ zu, was die Sensitivität des Biosensors gegenüber Pb2+ verdeutlicht.

Abbildung 5. Fluoreszenzemissionsspektren zum Nachweis von Pb²⁺

Giftstoffe

Schädliche Toxine wie Brevetoxine und Microcystine werden durch die Eutrophierung aquatischer Systeme durch die Algenblüte von Cyanobakterien erzeugt, und daher werden genaue und kostengünstige Systeme zur Früherkennung solcher Toxine benötigt. Für den empfindlichen Nachweis von Brevetoxin-2, einem marinen Neurotoxin, wurde ein elektrochemischer Aptasensor verwendet, der aus Goldelektroden besteht, die mit selbstorganisierten Cysteamin-Monoschichten funktionalisiert sind. Es wurde eine Nachweisgrenze von 106 pg mL-1 erreicht und für Brevetoxin-2 wurde eine starke Selektivität gegenüber anderen Toxinen verschiedener Gruppen, wie Okadainsäure und Microcystin, beobachtet. Die Machbarkeit des Aptasensors zum Nachweis von Brevetoxin-2 in echten Proben wurde durch die Analyse von Schalentieren erreicht, und es wurden starke Wiederfindungen (102-110 Prozent) berichtet, was darauf hindeutet, dass keine Interaktion mit der Aptasensor-Antwort von der Schalentiermatrix vorliegt.

Endokrin wirksame Chemikalien

In Wasserproben wurde Bisphenol A als endokrin wirksame Chemikalie durch Aptasensoren nachgewiesen, die auf dem Fluoreszenzprinzip mit funktionalisierten Aptameren (Fluoresceinamidit) und Goldnanopartikeln basieren und auf evaneszenten Lichtwellenleitern basieren. Der optische Faseraptasensor für evaneszente Wellen war kompakt und erwies sich als schnell, kostengünstig, empfindlich und selektiv für den Nachweis von Bisphenol A in Wasserproben, wobei keine Vorkonzentrations- oder Behandlungsschritte erforderlich waren. Darüber hinaus kann der Aptasensor durch Regenerieren mit einer 0,5%igen Natriumdodecylsulfat (SDS)-Lösung und weiteres Waschen mit einer phosphatgepufferten Kochsalzlösung (PBS) (pH 7,2) für über hundert Testzyklen ohne merklichen Verlust an 90 s wiederverwendet werden (Effizienz). Ähnliche Nachweisgrenzen (0,1 und 0. 45 ng mL-1) wurden in beiden optischen Biosensoren beobachtet, bei denen die DNA-Molekülsonde, die die komplementäre Sequenz einer kleinen Fraktion des Bisphenol-A-Aptamers ist, durch elektrostatische Wechselwirkung an der Oberfläche von Goldnanopartikeln adsorbiert und auf der Oberfläche kovalent immobilisiert wurde der Faser. Für den Nachweis von Bisphenol A in Flusswasserproben mit Molybdäncarbid-Nanoröhren wurde kürzlich ein weiterer fluoreszenzbasierter Aptasensor vorgeschlagen. Mit einem solchen markierungsfreien, kostengünstigen und einfach zu verwendenden Aptasensor wurde eine niedrige Nachweisgrenze von 0.23 ng mL−1 erreicht. Die Spezifität des Aptasensors wurde durch die Analyse anderer Moleküle mit ähnlichen Strukturen wie Bisphenol A (z. B. 4,4J-Biphenol, Bisphenol AF und 4,

Ein wegwerfbarer und markierungsfreier elektrochemischer Immunsensor auf der Basis eines Feldeffekttransistors mit SWCNT wurde kürzlich in Meerwasserproben verwendet, um eine andere endokrinschädigende Chemikalie zu untersuchen – 4-Nonylphenol. Der Immunsensor hat eine hohe Reproduzierbarkeit (0,56 ± 0,08%), eine durchschnittliche Wiederfindung von 97,8% bis 104,6% und eine niedrige Nachweisgrenze (5 µg L-1), die unter der empfohlenen maximalen Konzentration von 7 µg L-1 liegt durch die entsprechenden Vorschriften. In Meerwasserproben wie 4-Nonylphenol könnte der Biosensor verwendet werden, um gefährliche prioritäre Stoffe selbst in niedrigen Konzentrationen und mit einer einfachen und kostengünstigen Methodik zu erkennen.

Andere Umweltverbindungen

Für die Früherkennung und Überwachung verschiedener anderer gefährlicher Verbindungen, die während der Algenblüte freigesetzt werden, wurden neue, schnelle und genaue Analysemethoden benötigt. Aufgrund der hervorragenden Sensitivität und Spezifität von Nukleinsäuresonden gegenüber ihren komplementären Bindungspartnern wurden Biosensoren zum Nachweis von Algen-RNA entwickelt. Für den verbesserten selektiven und sensitiven Nachweis von RNA aus 13 schädlichen Algenorganismen wurde kürzlich ein elektrochemischer Genosensor auf der Grundlage einer siebgedruckten Goldelektrode beschrieben; der Genosensor konnte RNA-Ziele von Umweltproben (Meerwasserproben mit Spikes) unterscheiden, die 105 Zellen enthielten, was als Nachweisgrenze gilt.

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