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Gedruckte (Hybrid-) Biosensoren mit leitfähigen Polymeren

Gedruckte (Hybrid-) Biosensoren mit leitfähigen Polymeren
Ansprechpartner:

Riegel

Förderung:

 

Mit der wachsenden Anzahl an Diabetes Patienten wurde auch die Entwicklung von Sensoren zur Kontrolle des Blutzuckers immer bedeutender. Heutzutage werden Biosensoren erfolgreich als Instrument zur Bestimmung der Glucosekonzentration im Blut eingesetzt. Diese zeichnen sich durch die besondere Eigenschaft aus, gezielt mit einem anderen biologischen Analyten zu interagieren, da die im Sensor enthaltenen komplexe Biomoleküle, häufig Enzyme, substratspezifisch arbeiten. Ermöglicht wird dies durch das Schlüssel-Schloss-Prinzip. Bei amperometrisch arbeitenden Sensoren entstehen beispielsweise, neben dem Produkt, Elektronen, die elektrochemische Reaktionen induzieren und zur Detektion der Glucose führen.

 

Abbildung 1: schematische Darstellung des Schlüssel-Schloss-Prinzips

 

 

 

Dieses einzigartige Funktionsprinzip soll im Rahmen des Forschungsnetzwerkes „Molecular Interaction Engineering: From Nature’s Toolbox to Hybrid Technical Systems“ der Helmholtz-Gemeinschaft aufgegriffen, erweitert und auf technische Systeme im Alltag übertragen werden.

Als Teilprojekt des Helmholtz-Verbundes widmet sich diese Forschungsarbeit der Prozessierung und Charakterisierung solcher bio-funktionalisierten Oberflächen. Ziel ist es, hybride Biosensoren aus der flüssigen Phase als „druckbare“ dünne Schicht herzustellen, wobei die biologische Komponente, zunächst ein Enzym, in einer leitfähigen Polymermatrix immobilisiert werden soll.

 

Funktionsprinzip 
Abbildung 2: schematischer Aufbau des gedruckten (Hybrid-) Biosensors

Neben der Herausforderung ein geeignetes Druck- und Beschichtungsverfahren zu entwickeln, ist unerlässlich, mit Hilfe von systematischen Charakterisierungsmethoden den Einfluss der Prozessierung – Beschichtung und Trocknung – auf die Schichtstruktur zu analysieren. Die Eigenschaften des Sensors und die Morphologie der Schicht stehen dabei in direktem Zusammenhang. Dies ergaben Untersuchungen in der Arbeitsgruppe für flüssig applizierte Solarzellen [1]. Durch die Charakterisierung kann sichergestellt werden, dass die an den Biosensor gestellten Anforderungen – beispielsweise maximale Enzymaktivität oder Stabilität – erfüllt werden und das Prozessfenster optimiert werden kann.

Außerdem stellt sich die Frage nach der Stabilität der flüssig prozessierten Sensoren. Durch die Aufnahme und Einlagerung von Wasser kann die Funktionalität stark beeinträchtigen, da Degradationsprozesse auftreten können, die die molekularen Mechanismen verändern. Eine detailliierte Analyse des Phasen-, aber auch Sorptions- und Diffusionsverhaltens von Wasser in den Filmen sollte darüber Aufschluss geben können. Parameter, wie die Lagerung bei unterschiedlichen Luftfeuchten und Temperaturen sind ebenfalls zu berücksichtigen, um eine optimale Sensorqualität zu gewährleisten.

Das Projekt wird von der BMBF im Zuge des Helmholtz-Research Network "Molecular Interaction Engineering" gefördert (Pressemitteilung). 

 

In Zusammenarbeit mit:

Helmholtz-Forschungsinstitute Forschungszentrum Jülich (FZJ)

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Helmholtz-Zentrum Geesthacht(HZG)

 

Danksagung:

Dieses Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und der Helmholtz-Gemeinschaft finanziert.

[1]          B. Schmidt-Hansberg, M. F. G. Klein, K. Peters, F. Buss, J. Pfeifer, S. Walheim, A.Colsmann, U. Lemmer, P. Scharfer, W. Schabel. In-situ monitoring the drying kinetics of knife coated polymer-fullerene films for organic solar cells. Journal of Applied Physics: 106, 124501 (2009)