DE4018053A1 - Biological layer system for use as photocell - used to determine photosynthesis inhibitors, contains photo-system 2-molecule complex without water-removing complex in active layer - Google Patents
Biological layer system for use as photocell - used to determine photosynthesis inhibitors, contains photo-system 2-molecule complex without water-removing complex in active layerInfo
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Abstract
Description
Die Prüfung unbekannter Stoffe auf ihren Herbizidcharakter wird bisher durch ihre komplexe Wirkung auf lebende Pflanzen durchgeführt. Die Bestimmung der Konzentration bekannter Herbizide, die durch die Hemmung der Photosynthese wirken, in Früchten und anderen für die Nahrung vorgesehenen Pflanzenteilen, im Boden, im Grundwasser usw. ist nur durch chemische Verfahren möglich.The testing of unknown substances for their herbicidal character so far due to its complex effect on living plants carried out. Determining the concentration of known Herbicides that act by inhibiting photosynthesis in Fruits and others intended for food Parts of plants, in the ground, in groundwater, etc. is only through chemical processes possible.
Die Bestimmung der Wirkung neu synthetisierter Substanzen auf die Pflanzen kann vorteilhaft sein, ist aber kosten- und zeitaufwendig. Das ergibt sich aus der Notwendigkeit, die Bestimmung über mehrere Vegetationsperioden hinweg auszudehnen sowie eine breite Vielfalt verschiedener Pflanzen zu untersuchen. Dieses Verfahren ist daher für ein Massenscreening oder eine Vorauswahl bestimmter Stoffe auf ihre Herbizidwirkung ungeeignet.Determining the effect of newly synthesized substances on the plants can be beneficial, but is cost and time consuming. That stems from the need to Extend determination over several growing seasons as well as a wide variety of different plants examine. This procedure is therefore for mass screening or a preselection of certain substances for their herbicidal activity not suitable.
Die Konzentration bekannter Herbizide (Photosynthesehemmer) ist nur durch apparativ anspruchsvolle chemische Verfahren bestimmbar und bisher Speziallabors vorbehalten. Die Wirkung von Mittelkombinationen bzw. von nacheinander erfolgenden Einsätzen verschiedener Mittel zu bestimmen, ist nicht oder nur durch bisher wenig sichere Modellberechnungen möglich. Einem breiten Screening vor Ort im Herbizid-Anwenderbereich zur Beurteilung der Situation (Herbizidbelastung des Bodens, des Grundwassers u. a. bzw. der Pflanzenteile, die für Ernäherungszwecke vorgesehen sind und der Verlauf der Detoxifikation in diesen) ist nicht möglich. Lediglich grobe Richtwerte (Anwendervorschriften, Karenzzeiten) werden in diesem Bereich der Beurteilung zugrunde gelegt. Auch bekannte biologische Methoden, wie der Einsatz ganzer Chloroplasten, von Thylakoidmembranfetzen oder Algen, sind ganz wenigen Labors vorbehalten und zudem aufwendig und langsam (Sandmann, G.; Börger, P.; "Herbizidwirkungen in Cloroplasten" in Konstanzer Bibliothek, Universitätsverlag Konstanz 1 (1985) 139 und DD 217 892).The concentration of known herbicides (photosynthesis inhibitors) is only through sophisticated chemical processes determinable and previously reserved for special laboratories. The effect of middle combinations or of successive ones It is not or only to determine the use of different means possible through model calculations that were previously not very reliable. One broad on-site screening in the herbicide user area Assessment of the situation (herbicide contamination of the soil, the Groundwater u. a. or the parts of the plant that are for Approximate purposes are provided and the course of the Detoxification in these) is not possible. Just rough Guide values (user regulations, waiting periods) are in based on this area of assessment. Also known biological methods, such as the use of whole chloroplasts from Scraps of thylakoid membranes or algae are very few laboratories reserved and also complex and slow (Sandmann, G .; Börger, P .; "Herbicide effects in chloroplasts" in Constance Library, Universitätsverlag Konstanz 1 (1985) 139 and DD 217 892).
Als Photozellen sind beispielsweise bekannt:The following are known as photocells:
-
a.) Solarzellen: (z. B. WO 89/04 064, WO 89/04 062 und EP 3 41 017)
Vorteil: Nutzung eines breiten Wellenlängenspektrums.
Nachteile:- - Kleinerer Wirkungsgrad im roten Wellenlängenbereich.
- - Nicht herstellbar in molekularen Dimensionen.
Advantage: Use of a wide wavelength spectrum.
Disadvantage:- - Lower efficiency in the red wavelength range.
- - Cannot be manufactured in molecular dimensions.
- b.) Bakteriorhodopsin wurde in immobilisierten Schichten erhalten (A. Der u. a., (1988) FEBS Lett. 229(2), 313-316; A. A. Kononenko u. a., BBA 892 (1987) 56-67 und BBA 850 (1986) 162-169) und besitzt eine geringere Effektivität des Anregungstransfers (B. Ebert u. a., in SECUND INTERN. CONFERENCE "MOLEKULAR ELECTRONICS and BIOCOMPUTERS (abstracts)).b.) Bacteriorhodopsin was in immobilized layers received (A. Der et al., (1988) FEBS Lett. 229 (2), 313-316; A. A. Kononenko et al. a., BBA 892 (1987) 56-67 and BBA 850 (1986) 162-169) and is less effective of excitation transfer (B. Ebert et al., in SECUND INTERNAL. CONFERENCE "MOLECULAR ELECTRONICS and BIOCOMPUTERS (abstracts)).
-
c.) Sensoren aus Halbleitermaterial
Vorteil: Hohe Empfindlichkeit
Nachteile:- - Keine molekularen Dimensionen
- - Größerer Energiebedarf und damit auch größere Energiedissipation.
Advantage: high sensitivity
Disadvantage:- - No molecular dimensions
- - Greater energy requirements and thus greater energy dissipation.
- Solche Sensoren werden in Verbindung mit mikroelektronisch aufgebauten Lasern (z. B. WO 89/06 451) für integrierte elektrooptische Bauelemente (z. B. EP 3 35 691) benötigt oder zum Aufbau einer optischen Logik.Such sensors are used in conjunction with microelectronics built-up lasers (e.g. WO 89/06 451) for integrated electro-optical components (e.g. EP 3 35 691) are required or to build an optical logic.
- d.) Für Photodetektoren steht die Aufgabe einer hohen räumlichen Auflösung (WO 89/05 042, EP 3 40 412), eines besseren Quantenwirkungsgrades (EP 3 38 910), schnellere Ansprechzeiten (EP 3 39 386) und einer größeren Rauscharmut (WO 89/03 593). Diese Spitzenparameter sind bei Halbleiterdetektoren nicht für eine Detektorvariante erreichbar, da die Stabilität heterogener Halbleitersysteme in Nanometer-Dimensionen nicht mehr gesichert ist.d.) For photodetectors the task is a high one spatial resolution (WO 89/05 042, EP 3 40 412), one better quantum efficiency (EP 3 38 910), faster Response times (EP 3 39 386) and a longer one Low noise level (WO 89/03 593). These top parameters are at Semiconductor detectors not for one detector variant achievable because of the stability of heterogeneous semiconductor systems is no longer secured in nanometer dimensions.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein bioligisches Schichtsystem zu finden, in dem der Photosystem 2-Molekülkomplex eine hohe Stabilität besitzt, welches, gegebenenfalls, sehr kleine Dimensionen hat, sowie kompatibel mit der modernen Mikroelektroniktechnologie ist, das zur Bestimmung photosynthesehemmender Stoffe eine genaue direkte Messung deren Wirkung ermöglicht und das als Photozelle eine hohe Effektivität der Konvertierung von Licht in elektrische Energie besitzt.The object of the invention is to provide a biological layer system find in which the photosystem 2 molecule complex has a high Stability, which, if necessary, very small Has dimensions, as well as compatible with the modern Microelectronic technology is the one for determination photosynthetic inhibitors an exact direct measurement of them Effect and a high photocell Effectiveness of converting light into electrical energy owns.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Sensor zur Bestimmung photosynthesehemmender Stoffe aus zwei leitfähigen Schichten auf einer Trägerunterlage besteht, zwischen denen eine aktive Schicht aus Photosystem 2-Molekülkomplexen angeordnet ist. Die Trägerunterlage und die erste leitfähige Schicht und/oder die zweite leitfähige Schicht sind optisch transparent. Die Photosystem 2-Molekülkomplexe sind teilweise oder vollständig räumlich orientiert angeordnet. Die zweite leitfähige Schicht ist zur Bestimmung Photosynthesehemmender Stoffe für diese Stoffe permeabel oder wird nach Inkubation der Meßlösung hinzugefügt. Die Messung erfolgt nach optischer Anregung durch ggf. zeitabhängige Registrierung von elektrischen Strömen oder Spannungen.According to the invention the object is achieved in that the sensor for the determination of photosynthesis-inhibiting substances from two conductive layers on a substrate, between which an active layer of Photosystem 2 molecule complexes is arranged. The carrier pad and the first are conductive layer and / or the second conductive layer optically transparent. The Photosystem 2 molecule complexes are partially or completely arranged spatially. The second conductive layer is for determination Photosynthesis-inhibiting substances for these substances permeable or is added after incubation of the measurement solution. The measurement takes place after optical excitation by time-dependent if necessary Registration of electrical currents or voltages.
Die Eigenschaften des geschützt abgeschiedenen funktionsfähigen Photosystem 2-Molekülkomplexes ermöglichen die Prüfung neusynthetisierter Substanzen hinsichtlich deren Wirkung auf die Photosynthese, die Prüfung der Umweltbelastung des Bodens und Grundwassers auf Herbizide, die Prüfung des Hierbizidgehaltes von Pflanzenteilen, die für jegliche Art von Ernäherung vorgesehen sind, die Messung des Detoxifikationsverlaufes von Herbiziden in Früchten und anderen Pflanzenteilen, die Überwachung von Wasseraufbereitungsanlagen in Bereichen, die mit Agrochemikalien arbeiten, sowie weitere Prüfungen, Messungen und Bestimmungen photosynthesehemmender Stoffe. The properties of the protected secluded functional Photosystem 2 molecule complex enables the testing of newly synthesized Substances with regard to their effect on the Photosynthesis, testing of environmental pollution of the soil and Groundwater for herbicides, testing the herbicide content of parts of plants suitable for any kind of approximation are provided, the measurement of the detoxification course of Herbicides in fruits and other parts of plants that Monitoring of water treatment plants in areas that work with agrochemicals and other tests, Measurements and determinations of photosynthesis-inhibiting substances.
Vorteilhaft ist es, die unter Lichteinfluß entstehenden
elektrischer Felder am Photosystem 2-Molekülkomplex für die
Steuerung eines Feldeffekttransistors zu benutzen. Hierbei wird
die erste elektronische Verstärkungsstufe der molekularen
Information im Sensor selbst realisiert.
Die zweite leitfähige Schicht kann auch aus
lichtundurchlässigem und für wasserlösliche Stoffe
undurchlässigem Material bestehen, wenn sie genügend große
Poren besitzt oder als Netz ausgebildet ist.
Es ist auch möglich, ohne zweite leitfähige Schicht einen
Sensor zur Bestimmung photosynthesehemmender Stoffe auf einem
Feldeffekttransistor aufzubauen.It is advantageous to use the electrical fields which arise under the influence of light on the photosystem 2-molecule complex to control a field-effect transistor. The first electronic amplification stage of the molecular information is implemented in the sensor itself.
The second conductive layer can also consist of an opaque material that is impermeable to water-soluble substances if it has sufficiently large pores or is designed as a network.
It is also possible to set up a sensor for determining photosynthesis-inhibiting substances on a field effect transistor without a second conductive layer.
Ein hoher Orientierungsgrad der Photosystem 2-Molekülkomplexe wird beispielsweise durch den Einsatz verschiedener Varianten der Langmuir-Technik oder der Elektrosedimentation erreicht und führt zu einer größeren Empfindlichkeit des Sensors. Erfindungswesentlich ist allerdings nicht die maximale Empfindlichkeit, sondern die hohe Stabilität der immobilisierten Photosystem 2-Molekülkomplexe, die insbesondere bei dickeren aktiven Schichten durch eine teilweise Orientierung erreicht wird.A high degree of orientation of the Photosystem 2 molecule complexes is, for example, by using different variants the Langmuir technique or electro sedimentation and leads to a greater sensitivity of the sensor. However, the maximum is not essential to the invention Sensitivity, but the high stability of the immobilized photosystem 2 molecular complexes, in particular with thicker active layers by a partial Orientation is achieved.
Zur Messung wird der Sensor in eine wäßrige Probenlösung getaucht und belichtet. Das kann vorteilhaft mit LED′s geschehen. Entsprechend wird die Information aus einer elektronischen Strom- oder Spannungsmessung gewonnen, die gegebenenfalls auch zeitabhängig vorgenommen wird. Zur Wiederholung der Messung ist eine Regeneration des Sensors durch kurzes, mehrmaliges Spülen mit stark verdünnten wäßrigen Lösungsmittelgemischen nötig. Für die Angabe absoluter Konzentrationen wird in bekannter Weise die Messung einer Eichlösung vorgenommen.For the measurement, the sensor is placed in an aqueous sample solution dipped and exposed. This can be advantageous with LEDs happen. Accordingly, the information from a electronic current or voltage measurement, which possibly also time-dependent. A regeneration of the sensor is necessary to repeat the measurement by short, repeated rinsing with heavily diluted aqueous Solvent mixtures necessary. For the specification of absolute concentrations in known Way the measurement of a calibration solution made.
Die Absorption des Lichtes im nutzbaren Wellenlängenbereich ist
auch für eine monomolekulare Schicht so effektiv, daß es fast
vollständig genutzt wird. Offenbar erfüllt der lichtsammelnde
Komplex des Photosystem 2-Molekülkomplexe seine Funktion auch
unter den Bedingungen der Immobilisierung im quasitrockenen
Zustand. Dieses ist vorteilhaft, wenn das Schichtsystem als
Photozelle benutzt wird.
Die Abführung einer photoelektromotorischen Kraft über die
kontaktierten leitfähigen Schichten ermöglicht einen hohen
Wirkungsgrad dieser Anordnung als Energiekonverter,
insbesondere in miniaturisierter Ausführung als Stromversorger
in integrierten Elementen der Mikroelektronik. Die
erfindungsgemäßen leitfähigen Schichten aus SnO₂ und In₂O₃
sowie leitfähige Polymere wie Polypyrol und leitfähiges Gummi-
bzw. Gold- oder Platinschichten führen nicht zum Verlust der
Aktivität monomolekularer Photosystem 2-Molekülkomplex-
Schichten.
Ein Mediator in der Photosystem 2-Molekülkomplex-Schicht,
beispielsweise Di-Methylchinon, kann für konkrete
Herstellungsverfahren die elektrische Kopplung des
Photosystem 2-Molekülkomplex an die leitfähigen Schichten noch
verbessern.
Die Ausnutzung eines größeren Wellenlängenbereiches zur
Energiekonvertierung ist durch an sich bekannte Fluoreszenzverstärkerschichten
möglich. Hier wird durch energiereichere
Strahlung Licht der notwenigen Wellenlänge erzeugt. Für die
Nutzung von Lichtverstärkerschichten ist es vorteilhaft,
Reflexionsbedingungen zu schaffen, die Licht der anregenden
Wellenlängenbereiche länger im Schichtsystem halten und die
Emissionsstrahlung aus möglichst großem Raumwinkel die aktive
Schicht passieren zu lassen (beispielsweise äquivalent der
Lösung in WO 89/06 051).The absorption of light in the usable wavelength range is so effective even for a monomolecular layer that it is almost completely used. Apparently, the light-collecting complex of the Photosystem 2 molecule complex also fulfills its function under the conditions of immobilization in the quasi-dry state. This is advantageous if the layer system is used as a photocell.
The dissipation of a photoelectromotive force via the contacted conductive layers enables a high efficiency of this arrangement as an energy converter, in particular in a miniaturized version as a power supplier in integrated elements of microelectronics. The conductive layers of SnO₂ and In₂O₃ and conductive polymers such as polypyrene and conductive rubber or gold or platinum layers according to the invention do not lead to loss of the activity of monomolecular photosystem 2-molecule complex layers.
A mediator in the photosystem 2 molecule complex layer, for example dimethylquinone, can further improve the electrical coupling of the photosystem 2 molecule complex to the conductive layers for specific manufacturing processes.
A larger wavelength range can be used for energy conversion by means of fluorescence amplifier layers known per se. Here, light of the required wavelength is generated by high-energy radiation. For the use of light amplifier layers, it is advantageous to create reflection conditions that keep light from the exciting wavelength ranges in the layer system longer and to let the emission radiation pass through the active layer from as large a solid angle as possible (for example equivalent to the solution in WO 89/06 051).
Das biologische Schichtsystem kann als empfindlicher Lichtsensor benutzt werden. Dieser kann durch Filter- oder/und Fluoreszenzverstärkerschichten schmal und breitbandig im Wellenlängenbereich gemacht werden. Eine Anordnung ohne zusätzliche Schichten hat die größte, fast ideale Empfindlilchkeit für Wellenlängen um 680 nm. Als Sensor ist die Kompatibilität mit der Mikroelektronik ebenso vorteilhaft wie die erfindungsgemäß mögliche Herstellung auf dem Ausgang einer Lichtleiterstrecke.The biological layer system can be more sensitive Light sensor can be used. This can be done by filtering and / or Fluorescence intensifier layers narrow and broadband in Wavelength range can be made. An arrangement without additional layers has the largest, almost ideal Sensitivity to wavelengths around 680 nm. The sensor is Compatibility with microelectronics just as beneficial as the production possible according to the invention on the exit of a Optical fiber route.
Als Energiequelle geringer Leistung ist das Schichtsystem als biologische Photozelle schon bei geringer Beleuchtungsdichte einsetzbar. The layer system is considered to be an energy source of low power biological photocell even with low illuminance applicable.
Auf der Trägerunterlage aus Quarz wird die erste leitfähige Schicht aus SnO₂ aufgesputtert. Photosystem 2-Molekülkomplexe ohne wasserspaltenden Komplex sedimentieren aus einer wäßrigen Lösung, die ein photopolymerisierbares Vernetzungsreagens (z. B. Polyvinylalkohol mit 1% Stilbazolium) enthält, auf die erste leitfähige Schicht. Die Dicke der entstandenen aktiven Schicht beträgt etwa 1µm. Die Schicht wird durch Belichtung vernetzt. Als zweite leitfähige Schicht wird nach Inkubation der aktiven Schicht mit der Probelösung leitfähiger Gummi aufgelegt und kontaktiert. Bei kontinuierlicher Belichtung entsteht an den kontaktierten Schichten eine stabile Gleichspannung.The first conductive layer is placed on the quartz base Sputtered layer of SnO₂. Photosystem 2 molecular complexes without water-splitting complex sediment from an aqueous Solution containing a photopolymerizable crosslinking reagent (e.g. Contains polyvinyl alcohol with 1% stilbazolium) at first conductive layer. The thickness of the resulting active layer is about 1 µm. The layer is crosslinked by exposure. After incubation, the active layer is the second conductive layer Layer with the sample solution of conductive rubber and contacted. With continuous exposure to the contacted layers have a stable DC voltage.
Für die Bestimmung photosynthesehemmender Stoffe wird mit Lichtimpulsen bei einer Wellenlänge von 680 nm optisch angeregt. Als Probenlösungen dienen abwechselnd eine Standardlösung und die zu analysierende Lösung.For the determination of photosynthetic inhibitors with Optical pulses at a wavelength of 680 nm optical excited. Alternately serve as sample solutions Standard solution and the solution to be analyzed.
Zur Auswertung werden die Absolutwerte der periodisch auftretenden Photo-EMK bzw. deren charakteristische Abklingzeiten gemessen und mit denen der Standardlösung verglichen.For evaluation, the absolute values are periodically occurring Photo-EMF or their characteristic Cooldowns measured and with those of the standard solution compared.
Es wird zeitabhängig der Effekt eines typischen Photosynthesehemmers (DCMU, Dichlorphenyldimethylharnstoff) gemessen. Die eingesetzte Konzentration liegt bei 10-6 bis 10-4 mol/l DCMU. Die Aktivität des immobilisierten Photosystem 2- Molekülkomplexes bleibt unter Laborbedingungen für etwa 200 Messungen erhalten. Die aktive Schicht wird jeweils nach einer Messung durch Waschen mit einer Methanol/Puffer-Lösung (2%(v/v) Methanol, 0,1 mol/l Tris/HCl, pH 7,6, 0,1 mol/l Saccharose, 10 mmol/l NaCl, 1 mmol/l MgCl₂) reaktiviert.The effect of a typical photosynthesis inhibitor (DCMU, dichlorophenyldimethylurea) is measured as a function of time. The concentration used is 10 -6 to 10 -4 mol / l DCMU. The activity of the immobilized photosystem 2 molecule complex is retained under laboratory conditions for about 200 measurements. The active layer is in each case measured after washing with a methanol / buffer solution (2% (v / v) methanol, 0.1 mol / l Tris / HCl, pH 7.6, 0.1 mol / l sucrose, 10 mmol / l NaCl, 1 mmol / l MgCl₂) reactivated.
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