Biosensoren – Hersteller und Lieferanten finden

Biosensoren erfassen biologische oder chemische Stoffe mithilfe eines biologischen Erkennungselements und wandeln die Reaktion in ein messbares Signal um.

Sie werden eingesetzt, um beispielsweise Glukose, Laktat, Enzyme, Antikörper, Mikroorganismen, Toxine oder andere biologische und chemische Substanzen nachzuweisen.
Ein Biosensor besteht typischerweise aus einem biologischen Erkennungselement, einem Signalwandler und einer Auswerteelektronik. Das Erkennungselement reagiert gezielt auf den gesuchten Stoff. Der Signalwandler überführt diese Reaktion in ein elektrisches, optisches, thermisches oder mechanisches Signal.
Biosensoren kommen unter anderem in der medizinischen Diagnostik, der Biotechnologie, der Lebensmittelanalytik, der Umweltüberwachung sowie in industriellen Analyse- und Prozesssystemen zum Einsatz.
Je nach Anwendung werden sie als einzelne Sensorelemente, Messzellen, Sonden, Teststreifen, Durchflusssensoren oder Bestandteile vollständiger Analysegeräte angeboten.

Im Folgenden erhalten Sie einen Überblick über typische Arten, Anwendungsbereiche, Vorteile, Einschränkungen und wichtige Auswahlkriterien von Biosensoren.

Arten von Biosensoren

Enzymatische Biosensoren

Enzymatische Biosensoren verwenden Enzyme als biologisches Erkennungselement.
Das Enzym reagiert gezielt mit dem zu bestimmenden Stoff. Dabei entstehen messbare Reaktionsprodukte oder Veränderungen, die vom Signalwandler erfasst werden.
Enzymatische Biosensoren werden beispielsweise zur Messung von Glukose, Laktat, Glutamat, Glutamin, Cholesterin oder Alkohol eingesetzt.
Die Messgenauigkeit hängt unter anderem von der Aktivität des Enzyms, der Temperatur, dem pH-Wert und der Zusammensetzung der Probe ab.

Immunosensoren

Immunosensoren beruhen auf der spezifischen Bindung zwischen Antikörpern und Antigenen.
Sie können Proteine, Krankheitserreger, Allergene, Toxine oder andere biologische Zielstoffe erkennen.
Die Bindungsreaktion wird beispielsweise elektrochemisch, optisch oder über eine Masseänderung auf der Sensoroberfläche ausgewertet.
Für zuverlässige Ergebnisse müssen Kreuzreaktionen mit ähnlichen Stoffen möglichst ausgeschlossen werden.

Nukleinsäurebasierte Biosensoren

Nukleinsäurebasierte Biosensoren erkennen bestimmte DNA- oder RNA-Sequenzen.
Hierzu werden passende Nukleinsäureabschnitte auf einer Sensoroberfläche befestigt. Bindet die gesuchte Zielsequenz an diese Oberfläche, entsteht ein auswertbares Signal.
Solche Sensoren können unter anderem für den Nachweis genetischer Merkmale, biologischer Verunreinigungen oder bestimmter Mikroorganismen eingesetzt werden.

Zellbasierte Biosensoren

Zellbasierte Biosensoren verwenden lebende Zellen oder Zellbestandteile als Erkennungselement.
Die Zellen reagieren auf bestimmte Stoffe, Umweltbedingungen oder toxische Einflüsse. Veränderungen des Stoffwechsels, des Wachstums oder anderer Zellfunktionen werden anschließend gemessen.
Zellbasierte Systeme kommen unter anderem in der Wirkstoffprüfung, der Toxikologie und der Umweltanalytik zum Einsatz.

Elektrochemische Biosensoren

Elektrochemische Biosensoren wandeln eine biologische oder chemische Reaktion in ein elektrisches Signal um.
Je nach Bauart werden elektrische Ströme, Spannungen, Widerstände oder Impedanzen gemessen.
Elektrochemische Biosensoren lassen sich kompakt ausführen und eignen sich häufig für kleine Probenmengen sowie für mobile oder automatisierte Messsysteme.
Die Elektrodenoberfläche kann jedoch durch Ablagerungen, Verunreinigungen oder Bestandteile der Probe beeinflusst werden.

Optische Biosensoren

Optische Biosensoren erfassen Veränderungen von Lichtsignalen.
Gemessen werden beispielsweise Absorption, Fluoreszenz, Lumineszenz, Reflexion oder Änderungen des Brechungsindex.
Optische Biosensoren können eine hohe Empfindlichkeit erreichen und teilweise mehrere Stoffe gleichzeitig bestimmen.
Trübe, gefärbte oder stark lichtstreuende Proben können die Messung beeinträchtigen.

Piezoelektrische Biosensoren

Piezoelektrische Biosensoren erfassen Masseänderungen auf einer schwingenden Sensoroberfläche.
Bindet sich der gesuchte Stoff an die beschichtete Oberfläche, verändert sich die Resonanzfrequenz des Sensorelements.
Solche Systeme eignen sich zur Untersuchung von Bindungsvorgängen. Temperatur, Viskosität und unspezifische Ablagerungen können das Messergebnis beeinflussen.

Anwendungsbereiche von Biosensoren

Medizinische Diagnostik

In der medizinischen Diagnostik werden Biosensoren zur Bestimmung von Stoffwechselwerten, Biomarkern, Krankheitserregern und anderen medizinisch relevanten Messgrößen eingesetzt.
Zu den bekanntesten Anwendungen gehört die Messung von Glukose und Laktat.
Je nach Ausführung können Biosensoren Bestandteil von Laborgeräten, mobilen Messgeräten, Teststreifen oder kontinuierlich arbeitenden Messsystemen sein.

Biotechnologie und Fermentation

In biotechnologischen Prozessen überwachen Biosensoren Nährstoffe, Stoffwechselprodukte und Prozesszustände.
Messwerte wie Glukose, Laktat, Glutamat, Glutamin oder Sauerstoff geben Hinweise auf den Verlauf von Fermentationen und Zellkulturen.
Eine schnelle Erfassung ermöglicht es, Abweichungen frühzeitig zu erkennen und Prozessbedingungen anzupassen.

Pharmazeutische Forschung

In der pharmazeutischen Forschung dienen Biosensoren zur Untersuchung von Wirkstoffen, Proteinen, Bindungsreaktionen und Zellreaktionen.
Sie können Messreihen automatisieren und Veränderungen biologischer Prozesse in kurzer Zeit erfassen.
Für vergleichbare Ergebnisse sind reproduzierbare Probenbedingungen, eine geeignete Kalibrierung und eine kontrollierte Sensoroberfläche erforderlich.

Lebensmittel- und Getränkeindustrie

Biosensoren können Inhaltsstoffe, Allergene, Mikroorganismen, Toxine oder Rückstände in Lebensmitteln und Getränken nachweisen.
Sie werden zur Kontrolle von Rohstoffen, Produktionsprozessen und fertigen Erzeugnissen eingesetzt.
Fette, Proteine, Farbstoffe, Partikel und andere Bestandteile der Probe können das Messergebnis beeinflussen. Deshalb muss der Sensor für die jeweilige Lebensmittelmatrix geeignet sein.

Umweltanalytik

In der Umweltanalytik werden Biosensoren zum Nachweis von Schadstoffen, Mikroorganismen, Pestiziden oder organischen Belastungen eingesetzt.
Untersucht werden beispielsweise Wasser, Abwasser, Bodenextrakte oder andere Umweltproben.
Für den mobilen Einsatz sind robuste Sensorgehäuse, eine einfache Bedienung und eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen von Vorteil.

Industrielle Prozessüberwachung

Biosensoren können in industrielle Analyse- und Prozesssysteme integriert werden.
Sie überwachen biologische oder chemische Messgrößen in Reaktoren, Leitungen, Messzellen oder automatisierten Probennahmesystemen.
Für den dauerhaften Einsatz sind die Beständigkeit gegenüber Prozessmedien, eine ausreichende Lebensdauer und die Möglichkeit zur Reinigung oder zum Austausch des Sensorelements wichtig.

Vorteile von Biosensoren

• Gezielter Nachweis bestimmter biologischer oder chemischer Stoffe
• Kurze Messzeiten
• Geringer Probenbedarf
• Kompakte Bauformen
• Integration in mobile und automatisierte Messsysteme
• Kontinuierliche oder wiederholte Messungen möglich
• Unterschiedliche biologische Erkennungselemente verfügbar
• Verschiedene elektrische und optische Ausgangssignale
• Einsatz in Labor, Produktion und mobiler Analytik
• Möglichkeit zur direkten Prozessüberwachung

Einschränkungen von Biosensoren

• Biologische Erkennungselemente können empfindlich gegenüber Temperatur, Feuchtigkeit, pH-Wert und Chemikalien sein.
• Enzyme, Antikörper, Zellen und andere biologische Bestandteile besitzen häufig nur eine begrenzte Lager- und Einsatzdauer.
• Bestandteile der Probe können sich auf der Sensoroberfläche ablagern und das Messergebnis verändern.
• Ähnliche Stoffe können je nach Erkennungselement Kreuzreaktionen verursachen.
• Die Kalibrierung kann sich während des Einsatzes verändern und muss regelmäßig überprüft werden.
• Einige Biosensoren sind nur für den einmaligen Gebrauch vorgesehen.
• Bei wiederverwendbaren Sensoren können Reinigung und Regeneration aufwendig sein.
• Laborwerte lassen sich nicht immer direkt auf reale Proben oder industrielle Prozesse übertragen.
• Die Leistung eines Biosensors hängt häufig stark von der Zusammensetzung der Probe ab.
• Standardisierte Vergleichswerte verschiedener Hersteller sind nicht für jede Anwendung verfügbar.

Wichtige Auswahlkriterien für Biosensoren

Zu bestimmender Stoff

Zunächst muss festgelegt werden, welcher Stoff oder welche Stoffgruppe nachgewiesen werden soll.
Der Biosensor muss ein geeignetes biologisches Erkennungselement für diesen Analyten besitzen.
Auch mögliche Begleitstoffe und chemisch ähnliche Substanzen müssen berücksichtigt werden, da sie das Messergebnis beeinflussen können.

Messbereich und Nachweisgrenze

Der Messbereich muss die erwarteten Konzentrationen vollständig abdecken.
Für sehr geringe Konzentrationen ist eine ausreichend niedrige Nachweisgrenze erforderlich.
Ein besonders empfindlicher Sensor ist jedoch nicht automatisch besser, wenn der relevante Konzentrationsbereich deutlich höher liegt.

Selektivität

Die Selektivität beschreibt, wie gezielt der Biosensor auf den gesuchten Stoff reagiert.
In komplexen Proben können ähnliche Moleküle oder andere Bestandteile unerwünschte Signale erzeugen.
Der Hersteller sollte deshalb angeben, welche Querempfindlichkeiten bekannt sind und für welche Probenarten der Sensor geprüft wurde.

Reaktionszeit

Die erforderliche Reaktionszeit hängt von der Anwendung ab.
Bei kontinuierlicher Prozessüberwachung oder schnell ablaufenden Messungen muss der Sensor Veränderungen kurzfristig erfassen.
Für einzelne Laboranalysen kann eine längere Messzeit akzeptabel sein, wenn dadurch Empfindlichkeit oder Genauigkeit verbessert werden

Probenart und Probenvorbereitung

Blut, Zellkulturmedien, Lebensmittel, Abwasser und industrielle Prozessflüssigkeiten stellen unterschiedliche Anforderungen an einen Biosensor.
Viskosität, Partikelgehalt, Farbe, Temperatur und chemische Zusammensetzung können die Messung beeinflussen.
Es muss geprüft werden, ob die Probe verdünnt, gefiltert, aufbereitet oder temperiert werden muss.

Lebensdauer und Lagerstabilität

Biologische Erkennungselemente können während Lagerung und Betrieb an Aktivität verlieren.
Zu beachten sind Haltbarkeit, zulässige Lagertemperatur, Verpackung, Feuchtigkeitsschutz und mögliche Kühlanforderungen.
Bei wiederverwendbaren Sensoren ist zusätzlich die Anzahl der möglichen Mess- oder Regenerationszyklen relevant.

Einweg- oder Mehrwegsensor

Einwegsensoren reduzieren den Reinigungsaufwand und das Risiko einer Verschleppung zwischen Proben.
Mehrwegsensoren können bei häufigen Messungen wirtschaftlicher sein, benötigen jedoch geeignete Reinigungs-, Kalibrier- und Regenerationsverfahren.
Die Auswahl hängt von Messhäufigkeit, Hygieneanforderungen und Kosten pro Messung ab.

Ausgangssignal und Schnittstellen

Das Ausgangssignal muss zum vorhandenen Mess- oder Steuerungssystem passen.
Je nach Biosensor werden Strom-, Spannungs-, Frequenz-, digitale oder optische Signale bereitgestellt.
Für automatisierte Anwendungen sind geeignete Schnittstellen, eine stabile Datenübertragung und die Einbindung in die Auswertesoftware wichtig.

Kalibrierung

Biosensoren benötigen eine geeignete Kalibrierung für den vorgesehenen Messbereich und die jeweilige Probenart.
Dabei müssen Kalibrierintervalle, Referenzlösungen, Temperaturkompensation und mögliche Drift berücksichtigt werden.
Für vergleichbare Ergebnisse sollte die Kalibrierung dokumentiert und nachvollziehbar sein.

Umgebungs- und Prozessbedingungen

Temperatur, Druck, Feuchtigkeit, Vibrationen, elektromagnetische Störungen und aggressive Medien können die Funktion beeinflussen.
Bei industriellen Anwendungen müssen Gehäuse, Dichtungen, Sensoroberflächen und elektrische Anschlüsse für die jeweiligen Bedingungen ausgelegt sein.

Reinigung und Austausch

Bei wiederverwendbaren Biosensoren muss geprüft werden, wie die Sensoroberfläche gereinigt oder regeneriert werden kann.
Reinigungsmittel und Desinfektionsverfahren dürfen das biologische Erkennungselement nicht beschädigen.
Ein austauschbares Sensorelement kann Wartung und Instandhaltung erleichtern.

Zusammenfassung

Biosensoren verbinden biologische Erkennungselemente mit elektrischen, optischen, thermischen oder mechanischen Signalwandlern.
Je nach Anwendung kommen enzymatische, immunologische, nukleinsäurebasierte, zellbasierte, elektrochemische, optische oder piezoelektrische Biosensoren zum Einsatz.
Typische Anwendungsbereiche sind medizinische Diagnostik, Biotechnologie, pharmazeutische Forschung, Lebensmittelanalytik, Umweltüberwachung und industrielle Prozesskontrolle.
Für die Auswahl sind insbesondere der zu bestimmende Stoff, Messbereich, Selektivität, Nachweisgrenze, Reaktionszeit, Probenart, Lebensdauer und Schnittstelle entscheidend.
Da biologische Erkennungselemente empfindlich auf Umgebungsbedingungen und Alterung reagieren können, müssen Lagerung, Kalibrierung, Reinigung und Austausch bereits bei der Beschaffung berücksichtigt werden.

Biosensoren sind bei verschiedenen Herstellern und Anbietern erhältlich. Umfassende Informationen zu Herstellern und Anbietern von Biosensoren aus aller Welt finden Sie auf Exportpages.