Biowissenschaftliche Anwendungen der Quartzkristall-Mikrowaage
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W I S S EN S CH AFT · ME TH ODE N
Biosensoren
Biowissenschaftliche Anwendungen der Quartzkristall-Mikrowaage ALEXANDER BÜLL DEPARTMENT OF BIOTECHNOLOGY AND BIOMEDICINE, DANMARKS TEKNISKE UNIVERSITET (DTU), LYNGBY, DÄNEMARK
Biomolecular interactions can be measured either in solution or on surfaces. The quartz crystal microbalance (QCM) is a mechanical biosensor, and interactions of biomolecues with a large variety of different surfaces are measured through changes in the resonant frequency of a quartz sensor. The QCM finds applications in cases when not only the affinity of a given biomolecular interaction is to be measured, but also accompanying changes in conformation or mechanical properties. DOI: 10.1007/s12268-020-1426-y © Springer-Verlag GmbH 2020
ó Die Charakterisierung und Quantifizierung biomolekularer Wechselwirkungen ist von großer Bedeutung – sowohl in der angewandten als auch in der Grundlagenforschung. Zu diesem Zweck wurden in den letzten Jahren und Jahrzehnten eine ganze Reihe von Messmethoden entwickelt, die sich in zwei Kategorien einteilen lassen: lösungsbasierte Methoden und oberflächenbasierte (Biosensorik-)Methoden. Zu den ersteren zählen z. B. isothermale Titrationskalorimetrie (ITC) und Thermophorese (MST). Die Biosensorik-Methoden lassen sich in optische und mechanische Biosensoren unterteilen. Die Oberflächen-Plasmonenresonanz (SPR) und die Bio-Schichten-Interferometrie (BLI) sind bekannte Vertreter der optischen Methoden, während die QuartzkristallMikrowaage (QCM) der Hauptvertreter der mechanischen Biosensoren ist. Gemeinsam ist allen oberflächenbasierten Methoden, dass ein Bindungspartner der zu untersuchenden Wechselwirkung auf einer Oberfläche immobilisiert ist, während der andere in Lösung vorliegt. Die Wechselwirkung zwischen diesen Partnern wird entweder über eine Änderung der optischen Eigenschaften (z. B. Brechnungsindex) nahe der Oberfläche quantifiziert, oder durch eine Änderung der mechanischen Eigenschaften des Sensors. Die Notwendigkeit der Immobilisierung eines Bindungspartners auf einer Oberfläche kann zwar in einigen Fällen von Nachteil
sein und Artefakte begünstigen, hat aber große Vorteile, wenn einer der Bindungspartner schwer löslich ist, oder wenn überhaupt die Wechselwirkungen mit einer Oberfläche gemessen werden sollen. Das Prinzip der QCM wurde in den 1950erJahren vom deutschen Physiker Günter Sauerbrey erdacht [1], ursprünglich aber nur für spezielle Anwendungen im Hochvakuum verwendet. Die Idee ist, dass ein piezoelektrisches Quartzscheibchen durch angelegte Wechselspannung zu Vibrationen angeregt
wird. Wenn das Scheibchen in der richtigen Orientierung zum Kristallgitter geschnitten wurde, dann vibriert die Oberfläche nur in Scherschwingungen, auch wenn die Spannung senkrecht zur Oberfläche anliegt. Wenn sich dann Material an die Oberfläche anlagert, nimmt die Schwingungsfrequenz proportional zum Masseauftrag ab (Abb. 1). Erst in den 1980er-Jahren wurde realisiert, dass dieses Prinzip auch in Flüssigkeit funktioniert: die Geburtsstunde der QCM als Biosensor. Zwar stei
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