MEMS-Biosensor zur Detektion von Antibiotika in Abwässern (ab 2016)

Im Projekt soll ein MEMS basierter Biosensor zur Detektion unterschiedlicher Antibiotika aus Abwässern entwickelt werden. Als Erkennungskomponenten im Sensor sollen verschiedene Aptamere verwendet werden, die sich durch hohe Spezifität gegenüber den zu detektierenden Antibiotika bei gleichzeitiger guter Stabilität gegenüber der Abwassermatrix auszeichnen.

Aktuelle Fragestellung

Die Zunahme antibiotikaresistenter Keime stellt eine akute Herausforderung des gesundheitlichen Verbraucherschutzes dar. Jeder Einsatz von Antibiotika - insbesondere im Bereich der Tierhaltung - begünstigt die Resistenzentwicklung durch die Entstehung und Ausbreitung von multiresistenten Bakterien in der Umwelt. Bei der industriellen Tierhaltung stellt die orale Applikation über Futtermittel oder Trinkwasser die am häufigsten verwendete Verabreichungsform antimikrobiell wirksamer Substanzen dar. Dies birgt einige grundsätzliche Probleme, z. B. unbeabsichtigte Medikation durch Restmengen im Tränksystem oder durch Verschleppung des Medikaments in Einstreu oder Mist. Zusätzlich baut das Tier das Medikament nicht vollständig ab, so dass Antibiotika-Rückstände oder Metaboliten in tierischen Produkten aufzufinden sind oder durch tierische Ausscheidungen in die Umwelt gelangen. Derzeitig werden Antibiotika in wässrigen Proben vom Freisetzungsort mittels gekoppelter Flüssigkeitschromatographie-Massenspektroskopie (LC/MS) nach Transport in ein Labor detektiert. Dies erlaubt weder einen zeitnahen Eingriff in den Betrieb, um eine unbeabsichtigte Medikation der Tiere oder Kontamination der Umwelt (Böden oder Abwässern) zu verhindern, noch eine kostengünstige Kontrolle. Um eine Vorortanalytik und damit eine schnelle Reaktion auf etwaige erhöhte Antibiotikakonzentrationen zu realisieren, soll im Projekt ein Biosensor auf Basis eines einseitigen beschichteten mikroelektromechanischen Systems (MEMS) entwickelt werden.

Materialsynthese: Oberflächenchemie für die kovalente Anbindung von Aptameren, Beschichten von Cantilevern und Cantilever-Arrays mit kontaktlosem Spotten

Als Antibiotika-Erkennungskomponente sollen Aptamere zum Einsatz kommen. Für die Anbindung von unterschiedlichen Antibiotika wurden in der Literatur bereits eine Reihe von Aptameren mit dem sogenannten SELEX-Verfahren identifiziert und sequenziert, so dass diese nun kommerziell erhältlich sind. Unterschiedliche Aptamere sollen auf der Oberfläche von ebenfalls kommerziellen MEMS kovalent angebunden werden. Dafür muss die geeignete Oberflächenchemie sowie ein Prozess für das möglichst kontaktlose Beschichten entwickelt werden.

Materialcharakterisierung

Die Oberflächenchemie und erfolgreiche Immobilisierung der Aptamere soll mittels klassischer Oberflächenanalytik (z. B. Kontaktwinkelmessung, Rasterkraftmikroskopie oder Röntgenphotoelektronenspektroskopie) und Fluoreszenzspektroskopie an entsprechend markierten Aptameren validiert werden.

Funktionsprüfung

Der hergestellte Biosensor soll hinsichtlich seiner sensorischen Eigenschaften mit künstlich hergestellten Labor- und realen Abwasserproben aus der Praxis getestet werden. Wichtige Parameter hierbei sind: Sensitivität, Selektivität, Stabilität, Reversibilität und das Detektionslimit. Die Detektion kann dabei sowohl optisch als auch elektrisch durch das Nutzen von piezoresistiven Strukturen im MEMS erfolgen. Detektiert werden entweder die Änderung der Resonanzfrequenz des MEMS (Masse, dynamischer Modus) oder seine durch die Bindung verursachte Verbiegung (Verspannung, statischer Modus).

Finanzierung

Die Finanzierung erfolgt über eine Landesinnovationspromotion des ESF.

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