Mikrogravimetrische Sensoren in der Bioanalytik – eine Alternative zu optischen Biosensoren?

Abstract

Schon in den Anfängen des Radio‐ und Funkbetriebs brachte man – bedingt durch den Mangel an Schwingquarzen – mit einem Bleistift einen dünnen Film auf den Quarz auf, um Transmissions‐ und Empfängerfrequenz aufeinander abzustimmen. 1959 konnte Sauerbrey dann zeigen, dass sich die Frequenz von Schwingquarzen bei Abscheidung einer Fremdmasse proportional zur Massenbeladung verringert. Diese wichtige Erkenntnis war der Grundstein für die Entwicklung piezoelektrischer, gravimetrischer Sensoren. Für die Biowissenschaften interessant wurde diese äußerst empfindliche Messmethode allerdings erst, nachdem es gelungen war, Dickenscherschwinger durch die Entwicklung geeigneter Oszillatorschaltkreise auch in wässrigen Medien betreiben zu können. Das Studium von Adsorptionsphänomenen an biologisch relevanten Oberflächen wurde zu einem Hauptanwendungsgebiet piezoelektrischer Sensoren. Angefangen von Studien zu DNA/DNA‐ und DNA/RNA‐ sowie zu Protein‐Rezeptor‐Wechselwirkungen wurde über die Detektion von Viren und Bakterien bis hin zur Entwicklung kompletter Immunosensoren in den letzten 10 Jahren kein Gebiet ausgelassen, in dem nicht die Quarzmikrowaage als sondenfreie Messmethode zum Einsatz kam. Bei der Erforschung der einzelnen biologischen Systeme sind eine Vielzahl von Erkenntnissen gewonnen worden, wobei für die Messmethode selbst die hervorzuheben sind, welche gezeigt haben, dass mit Dickenscherschwingern in Flüssigkeiten nicht nur die reine Massenbeladung gemessen werden kann, sondern dass vielmehr auch die viskoelastischen Eigenschaften und die Ladungszustände des adsorbierten Materials (Grenzschichtphänomene) sowie die Oberflächenrauhigkeit die Sensorantwort bestimmen. Genutzt werden diese Erkenntnisse in neuerer Zeit zur Untersuchung des Adhäsionsverhaltens von Zellen, Liposomen und Proteinen. Es ergeben sich dabei z. T. neue Parameter, die es ermöglichen, morphologische Veränderungen von anhaftenden (adhärenten) Zellen in situ zu detektieren und so die Auswirkung von Pharmaka zu quantifizieren sowie den Wassergehalt von Biopolymeren zu ermitteln. Die Leistungsfähigkeit mikrogravimetrischer Sensoren in der Bioanalytik wird mit etablierten sondenfreien optischen Methoden wie der Oberflächenplasmonenresonanzspektroskopie und der Interferometrie verglichen.