Entwicklung von Ionenindikatoren und Nanosensoren
Ionenkonzentrationsmessungen in lebenden Zellen
Zur Messung von Ionenkonzentrationen werden in der physiologischen Forschung häufig Indikatorfarbstoffe eingesetzt, die ihre Fluoreszenzeigenschaften bei Bindung eines Analyts (z.B. Ionen, Biomoleküle) ändern.
Häufig werden dabei im Verlaufe eines Experimentes nur die Änderungen der Fluoreszenzintensität gemessen und als eine Zu- oder Abnahme des Analyts interpretiert. Eine absolute Bestimmung der Analytkonzentration aufgrund der Fluoreszenzintensität ist indessen mit herkömmlichen Indikatoren schwierig, da die Intensität des Fluoreszenzsignals nicht nur vom Analyt selbst sondern auch von der Konzentration des Indikatorfarbstoffes abhängt.
Fluoreszenzlebensdauerbasierte Ionenkonzentrationsmessungen
Um die Messung von Fehlern zu bereinigen, die aus einer unterschiedlichen Beladung oder einer nicht gleichmäßigen Verteilung des Indikatorfarbstoffes resultieren, können sogenannte ratiometrische Farbstoffe verwandt werden. Diese weisen in ihrem Fluoreszenzanregungsspektrum oder ihrem Emissionsspektrum einen isosbestischen Punkt auf. Die Absorption bzw. Emission bei dieser Wellenlänge ist unabhängig von der Konzentration des Analyts und kann damit benutzt werden, um für Schwankungen der Indikatorkonzentration zu korrigieren. Hierzu muss nur das Verhältnis (Ratio) der Messung bei einer Wellenlänge, bei der die Absorption (bzw. Emission) analytabhängig ist, und der analytunabhängigen Absorption (bzw. Emission) am isosbestischen Punkt berechnet werden.
Indikatoren mit diesen Eigenschaften sind jedoch selten. Alternativ bietet es sich an, die Fluoreszenzlebensdauer zu bestimmen, die von der Konzentration des Indikators unabhängig ist.
Beteiligte Wissenschaftler
- Dr. Birgit Hoffmann
- Dr. Sascha Diertrich
Indikatoren für monovalente Kationen
Während für die Messung bivalenter Kationen eine Vielzahl sensitiver und für das jeweilige Kation spezifische Indikatoren zur Verfügung stehen, gilt dies nicht für die Messung monovalenter Ionen. Einige der Aktivitäten der Arbeitsgruppe für Biomolekulare Photonik zielen auf eine Synthese neuer Natriuminsikatoren ab.
Beteiligte Wissenschaftler
Kooperationen
- Prof. Dr. Rainer Beckert, Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie, Friedrich-Schiller-Universität Jena
Nanosensoren
Eine Ionenkonzentrationsbestimmung - basierend auf einer Intensitätsmessung oder einer Fluoreszenzlebensdauermessung - kann jedoch auch durch eine Interaktion mit Proteinmolekülen verfälscht werden.
Diese Nachteile der freien Indikatorfarbstoffe lassen sich weitestgehend dadurch ausschalten, dass sie in Nanopartikel eingebettet werden. Die Polymermatrix der Nanopartikel schützt die Farbstoffe vor der Interaktion mit größeren Makromolekülen, behindert jedoch nicht die Bindung des Analyts selbst.
Zusätzlich kann in die Matrix ein Referenzfarbstoff eingebettet werden, dessen Signal nicht vom Analyt beeinflußt wird. Bei Messungen mit Nanopartikeln, die den Sensor- und Referenzfarbstoff enthalten, lassen sich dann konzentrationsbedingte Schwankungen der Fluoreszenz des Sensorfarbstoffes mit Hilfe der Fluoreszenz des Referenzfarbstoffes korrigieren. Derartige ratiometrische Nanopartikel werden in Zusammenarbeit mit dem Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie (Prof. Dr. Rainer Beckert, Prof. Dr. U.S. Schubert) entwickelt und erprobt.
Beteiligte Wissenschaftler
- Dr. Birgit Hoffmann
- Dr. Charles Cranfield
- Dr. Sascha Dietrich
- Dr. Sarmiza Elena Stanca
Kooperationen
- Prof. Dr. Rainer Beckert, Institut für Organische Chemie und Makromolekulare Chemie, Friedrich-Schiller-Universität Jena
Fördernde Institutionen
- Europäische Union (Projekt: „Sensor Nanoparticles for Ions and Biomolecules“ (SNIB), Förderkennzeichen: MTKD-CT-2005-029554)
- Exzellenzinitiative des Thüringer Ministeriums für Bildung, Wissenschaft und Kultur (Projekt: „Nanocontainer für Sensorik und Wirkstofftransport“ (NanoConSens))
Ausgewählte projektbezogene Publikationen
- Hornig, S., Biskup, C., Gräfe, A., Wotschadlo, J., Liebert, T., Mohr, G.J., Heinze, T.:
Biocompatible fluorescent nanoparticles for pH-sensoring.
Soft Matter 4, 1169-1172 (2008). - Graefe, A., Stanca, S.E., Nietzsche, S., Kubicova, L., Beckert, R., Biskup, C., Mohr, G.J.: Development and critical evaluation of fluorescent chloride nanosensors.
Anal. Chem. 80, 6526-6531 (2008). - Cywinski, P.J., Moro, A.J., Stanca, S.E., Biskup, C., Mohr G.J.:
Ratiometric porphyrin-based layers and nanoparticles for measuring oxygen in biosamples. Sens. Actuators B 135, 472-477 (2009). - Stanca, S.E., Nietzsche, S., Fritzsche, W., Cranfield, C.G., Biskup, C.: Intracellular ion monitoring using a gold-core polymer-shell nanosensor architecture.
Nanotechnology 21, 055501 (2010). - Kempe, K., Vollrath, A., Schaefer, H.W., Poehlmann, T.G., Biskup, C., Hoogenboom, R., Hornig, S., Schubert, U.S.:
Multifunctional poly(2-oxazoline) nanoparticles for biological applications.
Macromol. Rapid Comm. 31, 1869-1873 (2010). - Vollrath, A., Schubert, S., Windhab, N., Biskup, C., Schubert, U.S.:
Labeled nanoparticles based on pharmaceutical EUDRAGIT S 100 polymers. Macromol. Rapid Commun. 31, 2053-2058 (2010). - Stanca, S.E., Csaki, A., Urban, M., Nietzsche, S., Biskup, C. Fritzsche, W.:
Simultaneous topographic and amperometric membrane mapping using an AFM probe integrated biosensor.
Biosens Biolectron 26, 2911-2916 (2011). - Babiuch, K., Pretzel, D., Tolstik, T., Vollrath, A., Stanca, S., Förtsch, F., Becer, C.R., Gottschaldt, M., Biskup, C., Schubert, U.S.:
Uptake of well-defined, highly glycosylated, pentafluorostyrene-based polymers and nanoparticles by human hepatocellular carcinoma cells.
Macromol. Biosci. 12, 1190-1199 (2012).