Oxidase-Biosensoren Forscher lösen Sauerstoff-Problem und erreichen 99 Prozent Messgenauigkeit

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Ein 50 Jahre altes Problem der Oxidase-Biosensorik ist gelöst: TUM-Forscher haben die Sauerstoff-Interferenz eliminiert und die Messgenauigkeit von 50 auf 99 Prozent gesteigert. Das eröffnet völlig neue Marktchancen von Point-of-Care-Diagnostik bis zu IoT-Anwendungen in der Landwirtschaft.

Die Biosensorik steht vor einem Wendepunkt. Was vor Jahrzehnten als visionäre Technologie begann, ist heute in Form von Blutzuckermessgeräten Alltag für Millionen Diabetiker geworden. Doch trotz der Erfolgsgeschichte blieb ein fundamentales technisches Problem ungelöst: die Sauerstoff-Interferenz bei Oxidase-basierten Sensoren. Forscher der Technischen Universität München haben nun einen eleganten Lösungsweg gefunden, der die Messgenauigkeit von 50 auf 99 Prozent steigert und damit völlig neue Anwendungsfelder erschließt.

Das Grundprinzip der Oxidase-Biosensorik ist seit den 1970er Jahren bekannt. Enzyme wie Glucose-Oxidase wandeln spezifische Substrate in einer kontrollierten Reaktion um, wobei Elektronen freigesetzt werden. Diese Elektronen fließen zur Sensorelektrode und erzeugen ein messbares Stromsignal, das proportional zur Substratkonzentration ist.

Messfehler von bis zu 50 Prozent

Soweit die Theorie. In der Praxis jedoch konkurriert die Messelektrode mit einem unerwünschten Reaktionspartner: dem Umgebungssauerstoff. Die Oxidase-Enzyme übertragen ihre Elektronen nicht nur an die gewünschte Elektrode, sondern auch unkontrolliert an gelöste Sauerstoffmoleküle. Diese sogenannte Elektronenleckage führt zu systematischen Messfehlern von bis zu 50 Prozent und begrenzt seit Jahrzehnten die Einsatzmöglichkeiten der Technologie.

Nicolas Plumeré, Professor für Elektrobiotechnologie an der TUM, Huijie Zhang, ehemalige Mitarbeiterin an seiner Professur und nun Professorin für New Energy an der Nanjing University of Science and Technology in China, und Mohamed Saadeldin, Doktorand an der TUM, wollten das ändern: In einer Laborstudie konnten sie die Messgenauigkeit von Oxidase-Biosensoren bei den Stoffwechselprodukten Glucose, Lactat und Kreatinin von etwa 50 Prozent auf 99 Prozent erhöhen, ohne dass die Sensoren erst entsprechend kalibriert werden müssen. Lactat wird zum Beispiel bei der Überwachung kritisch kranker Patientinnen und Patienten gemessen. Das eröffnet laut dem Team neue Anwendungsfelder für die Sensoren. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht.

Sauerstofffänger räumt im Sensor auf

Die Ursache der bisherigen Messungenauigkeit liegt in der Wirkungsweise der Sensoren begründet. Sie nutzen Oxidasen, also Enzyme, die Stoffe wie Glucose zu Glukonlakton und Elektronen umwandeln. Dabei werden die Elektronen auf im Sensor verbaute Elektroden übertragen und erzeugen Strom. Je mehr von einem Stoff vorhanden ist, umso höhere Stromwerte zeigt das Display an.

Das Problem: Die Oxidase überträgt Elektronen nicht nur an die Elektrode, sondern auch an Sauerstoff aus der Umgebung. Diese fehlgeleiteten Elektronen werden somit nicht mehr zu Strom umgewandelt, das Signal fällt schwächer aus und die gemessene Konzentration ist niedriger als die tatsächliche.

Um dieses Problem zu lösen, haben die Forscher einen Sauerstofffänger entwickelt. Er besteht aus einer Alkohol-Oxidase, die den zusätzlich vorhandenen Sauerstoff kontrolliert verbraucht, indem sie ihn in Wasser umwandelt. Mit dem eigentlichen Substrat, also der Glucose, dem Kreatinin oder dem Lactat, reagiert die Alkohol-Oxidase hingegen nicht. Der eigentlichen Oxidase stehen nach dieser „Aufräumaktion“ für die Substratbestimmung nur noch wenige Sauerstoffmoleküle zur Verfügung, sodass sie ihre Elektronen fast vollständig an den Sensor übertragen.

Einsatzmöglichkeiten von der Medizin bis zur Landwirtschaft

„Wir sehen eine große Bandbreite neuer und erweiterter Anwendungsfelder und das Potenzial, in Zukunft bei der Bestimmung mancher Werte auf die Testung im Labor zu verzichten“, sagt Nicolas Plumeré. „In der personalisierten Medizin könnten diese Biosensoren zur Kalibrierung von tragbaren Sensoren, sogenannten Wearables, eingesetzt werden. So könnten diese verlässlichere Gesundheitsdaten liefern und frühzeitig auf Probleme hinweisen oder bei der bedarfsgerechten Dosierung von Medikamenten unterstützen. Auch im Bereich der KI-gestützten Medizin wäre ein Nutzen denkbar, denn hier sind wir auf große Datenmengen angewiesen, die wir mit diesen verbesserten Biosensoren erheben könnten.“

Nicolas Plumeré sieht auch über die Medizin hinaus Potenzial für die Sensoren und arbeitet bereits daran, die Ergebnisse in die Praxis zu bringen. Im parallel laufenden LiveSen-MAP-Projekt entwickelt das gleiche Forscherteam Stickstoff-Sensoren für die Landwirtschaft, die nach dem gleichen Prinzip funktionieren. Landwirte können damit den Düngebedarf ihrer Pflanzen vor Ort präzise bestimmen und sowohl Kosten sparen als auch die Umwelt entlasten. Diese praktische Anwendung demonstriert das breite Potenzial der Technologie über die Medizintechnik hinaus. (heh)

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