Sensormaterialien. Elektronikund. Sensoren und Aktoren S M S M. Prof. Dr. Yvonne Joseph. Ringvorlesung Bionik Sensoren und Aktoren

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1 Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik Elektronikund ensormaterialien E ensoren und Aktoren Prof. Dr. Yvonne Joseph Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 1

2 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Literaturempfehlungen: Deetjen/peckmann IBN-10: Hering/chönfelder: IBN Gründler: IBN Die Vorlesungsfolien finden ie im Netz unter folgender Adresse: Vorlesung Bionik Benutzer: TUBAF Passwort: Reiz Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 2

3 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Biosensoren und aktoren im enschen - Übersicht Jeder Organismus muss mit der Umwelt in Wechselwirkung treten. Dabei wirkt die Umwelt auf den Organismus und wird mit Hilfe des sensorischen ystems im Organismus abgebildet. Umgekehrt führt der Organismus Handlungen in der Umwelt mit Hilfe des motorischen ystems aus. ensorisches und motorisches ystem uskel, timmband Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 3 Haut, Augen, Ohren, Zunge, Nase

4 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Biosensoren und aktoren Vergleich Biologie vs. Technik Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 4

5 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren 1. ignalverarbeitung Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 5

6 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Nervenzellen - Aufbau Eine Nervenzelle (= Neuron) besteht im wesentlichen aus dem Zellkörper (= oma, Durchmesser = ~20µm). Das oma eines Neurons verfügt über zahlreiche Fortsätze, die sich nach Zahl und Funktion in Axone und Dendriten unterteilen lassen. Die Axone können Längen bis zu 1m erreichen, bilden meist nur wenige Verzweigungen, sind meist umhüllt (Isolation von der Umgebung) und bilden Bündel Nervenstränge. Die Dendriten sind kürzer, meist weit verzweigt und können je nach Funktion unterschiedliche Architekturen ausbilden. An den Dendriten sind häufig die Kontaktstellen zu Axonen anderer Nervenzellen ynapsen Aufbau von Nervenzellen Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 6

7 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Nervenzellen - Aufbau Nervenzellen treten über ihre Axonenden mit anderen Zellen funktionell in Verbindung und ermöglichen so einen Informationsaustausch. Diese Kontakte (ynapsen) dienen der Weiterleitung von elektrischen und biochemischen ignalen. Am Axonende befindet sich der synaptische Endknopf ohne isolierende Umhüllung. Er enthält Bläschen, die die sog. Neurotransmitter enthalten und die für die die interzelluläre ignalübertragung verantwortlich sind. Nach ihrer Lokalisation am Zielneuron kann man axodendritische, axosomatische und axoaxonale ynapsen unterscheiden. Aufbau von Nervenzellen Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 7

8 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Nervenzellen - Aufbau Die Nervenzellen besitzen eine embran die das Zellinnere vom Extrazellulärraum abgrenzt. ie besteht aus einer Lipiddoppelschicht und ist ~8nm dick. Dabei lagern sich Proteine von der intra- oder extrazellulären eite in die embran ein oder durchsetzen sie. owohl der intra- als auch der extrazelluläre Raum enthält Ionen. Die Konzentrationen dieser Ionen bestimmen das Ruhepotential über die embran. Die Ionen können selektiv durch die embran transportiert werden. Dies geschieht durch Ionenkanäle über einen Konzentrationsgradienten (passiver Transport) und aktiv durch die sog. Natrium-Kalium-Pumpe. Nervenzellmembran elektive Permeabilität von Ionenkanälen Ionenkonzentration in mmol/l Ion intrazellulär extrazellulär K Na Cl Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 8

9 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Nervenzellen - Ruhepotential Die Na-K-Pumpe pumpt Natrium aus der Zelle hinaus und Kalium in die Zelle hinein. Unter Ruhebedingungen sind die Natriumkanäle der Zellmembran geschlossen, während die Kanäle für Kalium offen sind. Ein elektrisches Feld baut ich auf und ein embranpotential von ~60-70 mv entsteht. Aktiver Transport: Na-K-Pumpe Passiver Transport: Diffusion Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 9

10 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Nervenzellen - Aktionspotentiale Zur Erzeugung und Weiterleitung von ignalen muss sich das embranpotential ändern. Dieses wird durch kurzzeitige Ionenströme durch die Zellmembran erzielt. Die dabei entstehenden embranpotentialschwankungen charakterisieren den Aktivitätszustand der Nervenzelle und werden daher auch Aktionspotential genannt. Aktionspotential Entstehung von Aktionspotentialen: Die Natriumkanäle öffnen sich, es strömt unter positiver Rückkopplung soviel Na + ein, dass sich das embranpotential umkehrt (Overshoot). Durch die erhöhte positive Ladung im Zellinneren strömt kein weiteres Na + nach. Zusätzlich wird dann K + über Ionenkanäle und Na + über die Na-K-Pumpe aus der Zelle transportiert. Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 10

11 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Reizweiterleitung Einleitung Bei der Reizweiterleitung muss zwischen 2 Formen unterschieden werden: 1. Der Reizweiterleitung (innerhalb einer Zelle) 2. Der Reizübertragung (zwischen Zellen) Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 11

12 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Reizweiterleitung Reizweiterleitung in Axonen Aktionspotentiale werden mithilfe von Kationenströmen entlang der Nervenfasermembran weitergeleitet. Die Kationen folgend dabei elektrischen Feldern im Zellinneren und äußeren und führen bei Erreichen der embranpotentialschwelle zu einer Fortleitung des Aktionspotentials entlang der Faser Reizweiterleitung in Axonen Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 12

13 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Reizweiterleitung Reizweiterleitung in Axonen: Leitungsgeschwindigkeit Die Geschwindigkeit mit der sich ein Aktionspotential über eine Nervenfaser ausbreitet hängt von mehreren Faktoren ab: 1. Je höher der Na + Einstrom ist (höherer trom zur Depolarisation benachbarter Abschnitte), 2. Je größer der Faserdurchmesser ist (niedriger intrazellulärer Widerstand), 3. Je höher der embranwiderstand ist (schlechte Ableitung des troms über die embran), Desto schneller entwickelt sich die elektrische Depolarisation und desto größer wird die Leitungsgeschwindigkeit. Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 13

14 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Reizweiterleitung Reizweiterleitung in Axonen Typen der Erregungsleitung: Bei marklosen Axonen laufen die Aktionspotentiale kontinuierlich über das Axon kontinuierliche Erregungsleitung. Bei markhaltigen Axonen springen die Aktionspotentiale von chnürring zu chnürring saltatorische Erregungsleitung. Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 14

15 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Reizweiterleitung Reizübertragung über ynapsen Informationen werden von einer Nervenzelle auf eine Andere über ynapsen weitergegeben, die sich nach morphologischen und funktionellen Kriterien in 2 Typen differenzieren lassen: Typen von ynapsen Elektrische ynapse: der synaptische palt wird über verbindende Proteine (sog. Connexine) überbrückt. Die Erregung kann also direkt über elektrische tröme übertragen werden. Chemische ynapse: der synaptische palt wird über diffundierende oleküle (sog. Transmitter) überbrückt. Diese werden in der präsynaptischen truktur synthetisiert und in Vesikeln gespeichert und zum synaptischen palt transportiert und dort freigesetzt. Die freigesetzten Transmitter werden an einen Rezeptor an der postsynaptischen embran gebunden, der dann wiederum einen Ionenkanal öffnet. Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 15

16 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Reizweiterleitung Reizübertragung über ynapsen Bei chemischen ynapsen wird weiterhin zwischen exzitaorischen und inhibitorischen ynapsen unterschieden. Diese können die Entstehung eines Aktionspotential entweder anregen (exitatorisch) oder verhindern (inhibitorisch) Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 16

17 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Reizweiterleitung Verschaltung von ynapsen Für die Informationsverarbeitung im Nervensystem ist die zeitliche und räumliche ummation (Bahnung) der postsynaptischen Potentiale von herausragender Bedeutung. Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 17

18 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Reizweiterleitung Verschaltung von ynapsen an unterscheidet Neuronenketten sowie divergente und konvergente ysteme. Divergent: besteht eine hinreichende Bahnung wird ein Aktionspotential, das an einem tartneuron entsteht über alle angekoppelten Neuronen weitergegeben. Konvergent: Ist das Bahnungsniveau so niedrig, dass ein einzelnes Aktionspotential nicht weitergeleitet wird, kann die Erregung nur weitergeleitet werden, wenn von zahlreichen tartneuronen Aktionspotentiale gesendet werden(räumliche Bahnung). Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 18 blau = exitatorisch

19 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Reizweiterleitung Verschaltung von ynapsen Werden in Netzwerke aus exitatorischen Neuronen auch inhibitorische Neuronen eingefügt eröffnen sich weitere Verschaltungsmöglichkeiten: Rückwärtshemmungen: bewirken eine Begrenzung der Wiederholungsfrequenz des tartneurons Vorwärtshemmungen: erhöhen die Kontrastbildung durch Kemmung benachbarter Ketten laterale Hemmung Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 19

20 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Reizweiterleitung Verschaltung von ynapsen Laterale Hemmung Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 20

21 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Reizweiterleitung Verschaltung von ynapsen Erregungsspeicherung E1: füllt den Neuronenkreis und aktiviert den Effektor E2: deaktiviert den Effektor jedoch ohne den Neuronenkreis zu stören E3: leert den Neuronenkreis (Löschung des Erregungsspeichers) Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 21

22 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Reizweiterleitung Verschaltung von ynapsen Neues Forschungsfeld: Neuroelektronik Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 22

23 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Reizweiterleitung Verschaltung von ynapsen Electrical recording from rat cardiac myocytes after 3 days in culture. easurements performed simultaneously by FET (lower trace) and microelectrode (upper trace) Offenhäusser et al. Bleibende Herausforderungen: Geordnete Immobilisation und elektrische Kontaktierung von lebenden Zellen tabilität Technische elektronische Bauelemente sind heute schon kleiner!!! Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 23

24 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren 2. Beschleunigungssensoren Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 24

25 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Biosensoren im enschen Historisch: Konzept der fünf inne: Fühlen, sehen, hören, schmecken, riechen Heute: inne mit ihren unterschiedlichen odalitäten omatoviszerale ensibilität: Tastsinn (Oberfläche) Propriozeption (Tiefe) Temperatursinn Juckempfindung chmerzsinn ehen Hören Gleichgewichtssinn chmecken Riechen Jede der odalitäten kann noch unterschiedliche ubmodalitäten haben. Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 25

26 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Biosensoren im enschen - Reize und Transduktion Unabhängig von den Eigentümlichkeiten der verschiedenen inne werden in jedem ystem vier essentielle Eigenschaften eines Reizes kodiert. Qualität Intensität Dauer Räumliche Dimension Transduktion Transformation Konduktion Reiz Rezeptorpotential Aktionspotential Transduktion: Umwandlung des Reizes in eine elektrische Potentialänderung Transformation: Das Rezeptorpotential wird beim Überschreiten einer chwelle durch die Öffnung potentialabhängiger Natriumkanäle in ein Aktionspotential umgewandelt. Konduktion: Reizweiterleitung Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 26

27 Elektronik- und ensoraterialien Physikalischer ensor Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Technische ensoren Chemischer ensor 1. Physikalische Wechselwirkung 2. Elektrische ignalgenerierung 1. Transport der Analyte 2. Chemische Wechselwirkung 3. Umwandlung in ein Physikalisches ignal 4. Elektrische ignalgenerierung Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 27

28 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Bewegungssensoren Bewegungssensoren lassen sich in drei Kategorien einteilen: Beschleunigungssensoren Gyroskope agnetfeldsensoren Diese können einzeln oder auch in Kombination eingesetzt werden Beschleunigungssensoren essen die Beschleunigung in drei Richtungen: (hochrunter, links-rechts und vorzurück) Gyroskope essen die Rotation in drei Richtungen: agnetfeldssensoren Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 28

29 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Biosensoren - Der Gleichgewichtssinn Die Wahrnehmung der Gravitation hat ihr Zentrum im Gleichgewichtsorgan (vestibuläres ystem) von Innenohr. Essenziell ist außerdem das visuelle ystem. Zum Gleichgewichtssinn tragen außerdem bei: die uskulatur des keletts - bei Körperdrehungen und teilweise bei Beschleunigung das Gesäß (in der Fliegersprache das itzfleisch ) - bei Beschleunigungen vor allem in vertikaler Richtung das Gehör - zur chätzung von Geschwindigkeiten mit Hilfe von Luftgeräuschen, sowie der Hautsinn - für Eigen- und Luftbewegungen. Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 29

30 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Biosensoren - Das menschliche Ohr Außenohr: ist das sichtbare Ohr. Das Trommelfell ist ein dünnes Häutchen. Es vibriert im Rhythmus der challwellen und leitet diese Vibration an die Knöchelchen des ittelohrs weiter. ittelohr: ist eine Höhle (Paukenhöhle). Hier befinden sich die drei kleinsten Knochen des menschlichen Körpers, die Das menschliche Ohr Gehörknöchelchen Hammer, Amboss und teigbügel. Während der Hammer direkt mit dem Trommelfell verbunden ist, befindet sich der teigbügel unmittelbar am ovalen Fenster, einer zweiten dünnen embran. ie verbindet das Außenohr mit dem Innenohr und übersetzt die challwellen der Luft in die entsprechenden ignale für das Innenohr, das mit Flüssigkeit gefüllt ist. Das ovale Fenster überträgt die Informationen des ittelohrs in das Innenohr. Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 30

31 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Biosensoren - Der Gleichgewichtssinn: Vestibuläres ystem Das vestibuläre ystem besteht aus insgesamt 5 Organen: den zwei acula- oder Otolithenorganen (in Utriculus und acculus) zur Detektion der Linearbeschleunigung den drei Bogengängen zur Detektion von Drehbeschleunigungen Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 31

32 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Biosensoren - Der Gleichgewichtssinn Die innesepithelien des Utriculus und acculus sind flächig und enthalten jeweils bzw Haarzellen. Die Otolithen in ihnen sind aus Calcit und haben eine höhere Dichte als die sie umgebende Lymphe (träge asse). ie verschieben bei Einwirkung einer Beschleunigung die Otolithenmembran gegenüber das darunter liegende Epithel. Die mechanische Auslenkung der Haarzellen bewirkt ihr feuern. Die macula utriculi liegt bei aufrechter Kopfhaltung waagerecht und kann daher horizontale Linearbeschleunigungnen wahrnehmen. Die macula sacculi ist senkrecht dazu angeordnet und registriert vertikale Beschleunigungen macula utriculi Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 32

33 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Biosensoren - Haarzellen Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 33

34 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Biosensoren - Der Gleichgewichtssinn : die Bogengänge Bei einer Drehbeschleunigung des Kopfes um eine Achse die senkrecht zur Bogengangsachse steht wird die Cupula ausgelenkt (assenträgheit des Bogeninhalts = Endolymphe). Da alle Haarzellen eines Bogenganges die gleiche Ausrichtung haben, reagieren sie alle mit der gleichen Antwort. Die Bogengänge registrieren also jede Bewegung und Lageveränderung des Kopfes. Die Bogengänge sind nahezu rechtwinklig zueinander angeordnet. Jeder Bogengang ist für eine Rotation um eine der drei Raumachsen empfindlich. Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 34

35 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Beschleunigungssensoren - Funktionsweise Die geradlinige Beschleunigung ist eine essgröße, die mit den essgrößen Kraft F, Geschwindigkeit v und Weg s über physikalische Grundgleichungen verbunden ist. Das Formelzeichen ist a, die Einheit m/s 2 (oder ein Vielfaches des mittleren Wertes der Erdbeschleunigung). Der Zusammenhang der Kraft mit der beschleunigten asse durch das 2. Newtonsche Axiom gegeben : Grundprinzip: Feder F m a F k s a F m Das Grundprinzip aller Beschleunigungssensoren besteht darin, die Wirkung der Beschleunigung auf ein gedämpftes Feder-asse-ystem zu messen. Die Wirkung der Beschleunigung besteht darin, dass die elastisch an das Gehäuse angekoppelte seismische asse sich bei Beschleunigung gegenüber dem Gehäuse verschiebt (trecke s). Hook sches Gesetz Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 35 a k s m a

36 Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Beschleunigungssensoren Elektronik- und ensoraterialien Beschleunigungssensoren bei denen die Änderungen von Kapazitäten zur essung der Verschiebung der seismischen asse verwendet wird, sind die am häufigsten verbreiteten. Die Abbildung zeigt den prinzipiellen Aufbau eines kapazitiven Beschleunigungs-ensors. Die elastisch aufgehängte asse m ist als Elektrode eines oder mehrerer Kondensatoren ausgebildet, wobei diese Anordnung vorzugsweise als Differentialkondensator aufgebaut ist, so dass sich der Plattenabstand s 0 des einen Kondensators um den gleichen Betrag s verringert wie sich der des anderen vergrößert. s 0 +s s 0 -s a a s 0 ±s s s 0 2U U s m Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 36

37 E Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Beschleunigungssensoren Technische Realisierung Um den Effekt zu vergrößern werden häufig Ausführungen mit Kammkondensatoren gewählt: Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 37

38 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Beschleunigungssensoren Technische Realisierung Um Beschleunigungen in allen drei Raumrichtungen gleichzeitig mit einem Bauelement messen zu können werden häufig dreifach Beschleunigungssensoren, die sich nur in ihrer essrichtung unterscheiden, hergestellt. x und y werden senkrecht zueinander in der Ebene gemessen. z wird aus der Ebene herausgemessen Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 38

39 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren 3. Gassensoren Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 39

40 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Biosensoren - Die Nase Für die Wahrnehmung von Duftstoffen und Pheromonen gibt es zwei unterschiedliche Organe in der Nase. Duftstoffe werden im Riechepithel detektiert. Das Riechsignal wird dann an den Riechkolben (Bulbus olfactorius) weitergegeben, die erste Verarbeitungsstation der Riechinformation im Gehirn. Zur Wahrnehmung von Pheromonsignalen dient dagegen das vomeronasale Organ (auch Jacobson Organ), das von einer kleinen Röhre in der Nasenscheidewand gebildet wird. Aufbau der menschliche Nase (5cm 2 =10-30 illionen Riechzellen) Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 40

41 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Biosensoren - Das Riechepithel Das Epithel wird von einer einzelnen chicht tützzellen zur Nasenhöhle hin begrenzt. Darunter erkennt man die Riechzellen, primäre Neurone, deren Axone in der ubmucosa gebündelt werden und dann zum Riechkolben ziehen, wo sie mit itralzellen ynapsen bilden. Riechzellen haben eine Lebenszeit von nur wenigen Wochen. ie sterben nach 3-6 Wochen ab und werden durch nachdifferenzierende Basalzellen ersetzt. Riechzellen Aufbau des Riechepithel 10 µm Riechepithel Basalzellen tützzellen Bowman Drüse Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 41

42 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Die chemosensorischen Teile der Riechzellen sind die Zilien. Von einer Verdickung am Ende des Dendriten einer jeden Riechzelle gehen Zilien aus und reichen in die Nasenhöhle. Dort liegen die Zilien in einer ukusschicht, die von den Bowman Drüsen gebildet wird. Duftstoffe aus der Atemluft lösen sich in der ukusschicht, kommen mit der Zilienmembran in Kontakt und lösen die chemoelektrische Transduktion aus. Die Duftstoffselektivität der Riechzellen kommt dadurch zustande, daß jede Zelle nur eines der über 1000 Rezeptorgene exprimiert. Demzufolge besitzt jede Riechzelle nur einen Typ Duftstoffrezeptor und reagiert nur auf einen kleine Gruppe chemisch verwandter ubstanzen. Olfaktorische Rezeptoren sind 7-Transmembran-Helix-Rezeptoren Odorant Bindungsplatz Biosensoren - Das Riechepithel Blau: trictly conserved Rot: Highly variable Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 42

43 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Biosensoren - ignaltransduktion in Riechzellen 1000 Rezeptorgene von denen nur ~300 funktionell sind NH 2 cap O N N N N O O P O- O OH Kationenfluss depolarisiert die neuronale embran Aktionspotential wird induziert Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 43

44 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Biosensoren - ignaltransduktion in Riechzellen Die meisten bekannten Duftstoffe aktivieren über ein G-Protein (G olf ) die olfaktorische Adenylatzyklase (AC), so dass bei Duftstimulation die cap-konzentration in den Zilien ansteigt. cap aktiviert Kationenkanäle in der Zilienmembran. Diese leiten vor allem Calcium aus dem ukus in die Zilien. Dies wiederum führt zur Öffnung Calcium-gesteuerter Chloridkanäle, die einen Chloridfluss aus den Zilien in den den ukus leiten. Kationeneinstrom + Anionenausstrom = Rezeptorstrom, der die Zilienmembran depolarisiert und die Zelle elektrisch erregt. Calcium sorgt auch für die Abschaltung des Rezeptorstroms: Die cap-gesteuerten Kationenkanäle werden gehemmt, und gleichzeitig wird die cap-konzentration durch Phosphodiesterase (PDE) gesenkt. Calcium wird aus den Zilien durch Na/Ca- Austauscher entfernt. Diese oleküle nutzen die elektrochemische Potentialdifferenz des Na und koppeln Ca-Export an den Na-Einstrom. Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 44 ignaltransduktion in Riechzellen

45 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Biosensoren - ignalweiterleitung in Riechzellen Riechzellen, die das gleiche Rezeptorgen exprimieren (und damit die gleiche Duftstoffselektivität besitzen) sind über die Fläche des Riechepithels zufällig verteilt. Ihre Axone projezieren jedoch nur auf ein oder wenige Glomeruli im Riechkolben. Die itralzellen eines Glomerulus werden also nur bei Detektion einer kleinen Gruppe von Duftstoffen aktiviert. Da unterschiedliche Glomeruli mit Riechzellen unterschiedlicher elektivität verbunden sind, ergibt sich bei timulation mit einer Duftstoffmischung ein Aktivitätsmuster der Glomeruli im Riechkolben. Dieses räumliche Aktivitätsmuster kann von den nachgeschalteten Ebenen des Riechsystems als Geruch interpretiert werden. Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 45

46 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Biosensoren - ignaltransduktion in Riechzellen Riechzellen sind weder sehr spezifisch (selektiv) noch sehr empfindlich. it 350 verschiedenen Riechzellen können jedoch alle Duftstoffe durch usteranalyse erkannt werden. Reaktion unterschiedlicher Riechzellen auf verschiedne Duftstoffe Empfindlichkeit zweier Riechzellen Duftstoffe norm. Rezeptorstrom ON1 ON2 Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 46

47 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Elektronsiche Nasen Rezeptoren in der Nase ustererkennung ignalmuster Probe ignal ignal ignal 1 2 time 3 time time ensor-feld ustererkennung Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 47

48 Elektronik- und ensoraterialien Electronic Nose ystem anufacturer Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Kommerzielle elektronische Nasen ensor Pattern Country of # of Price Technology Recognition Origin ensors ($) Algorithms WA Airsense 20,000- O 10 ANN, DC, PCA Analysentechnik GmbH 43,000 Germany Fox x000 QC, AW, 20, ANN, DFA, PCA AlphaO CP, O 100,000 France Aromacan 20,000- CP 48 ANN, FL OsmeTech Inc. 75,000 U.K. BH114 ANN, CA, DA, CP 14 Bloodhound ensors Inc. PCA? U.K. Cyranose 320 Cyrano ciences Ltd. CP 32 PCA 5,000 UA Enose 5000 QC, O, arconi Ltd. CP, AW 8-28 ANN, DA, PCA? U.K. Znose ,500- AW, GC 6-15 PR Electronic ensor Tech. 25,000 UA QB6 H40XL HKR ensorsystem GmbH QC 6 ANN, PCA? Germany OE II Lennartz Electronik GmbH QC, O 16 ANN, PCA? Germany NT 3210 O, FET, 40, ANN, PCA Nordic ensor Technologies QC 60,000 weden Oligoense Oligoense CP ND/PR ND/PR? Belgium A QC, AW, Daimler RT Rostock O 6-10 ANN, PCA 50,000 Germany art Nose 300 art Nose N/A DA, PCA? witzerland VOCmeter otech ensorik, GmbH QC, O 8 ANN, PCA? Germany Freshense Element Ltd. O ND/PR ND/PR? Iceland 4440B Various N/A HP Agilent Technologies Chemometrics 79,900 UA VaporLab icroensor Inc. AW 2 ND/PR 5,000 UA Libra Nose Technobiochip QC 8 ND/PR 5,000 Italy Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 48

49 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Chemisensitive chichten - Baukastenprinzip odularität (auch Baukastenprinzip) ist die Aufteilung eines Ganzen in Teile, die als odule, Bauelemente oder Bausteine bezeichnet werden und über entsprechende chnittstellen interagieren. Bei einem modularisierten Aufbau werden Gesamtsysteme aus standardisierten Einzelbauteilen entlang definierter chnittstellen zusammengesetzt. ögliche Vorteile sind: Variationen durch Kombination mehrerer Komponenten verschiedener Gruppen aus einer Produktklasse Billige Herstellung durch baugleiche erien Niedrige Entwicklungskosten und schnellere Produktzyklen Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 49

50 Elektronik- und ensoraterialien etall-nanopartikel: etallzentrum Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Chemisensitive chichten - Baukastenprinzip Organische Linker oleküle: H H R Ligand N H H hohe Empfindlichkeit (hohe Oberfläche) Leitfähiges aterial Einfache ignaltransduktion ( R) Anpassbare ensitivität ( Rezeptoren für Gase) Anpassbare ensitivität ( Rezeptoren für Organik) Raumtemperaturbetrieb (niedriger Energieverbrauch) gute mechanische tabilität Anwendung in Flüssigkeiten Transducer: ID-Au-Electrodes Komposit- Film elbstassemblierbar: Kontrolle der molekularen Architektur sehr dünne Filme (<50nm) chnelle Ansprechzeiten Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 50

51 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Chemisensitive chichten - Baukastenprinzip Forschungsthema am IE: Chemische ensoren auf Goldnanopartikel-Basis Herstellung Gold-Nanopartikel essung Filmabscheidung Foto: üller Herstellung org. oleküle Cheese Roquefort Camembert Leerdammer Pont l Évêque Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 51

52 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Vorteile elektronischer Nasen: Variationsmöglichkeiten: Design des Arrays Variation/Kombination des Transducers Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 52

53 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Vorteile elektronischer Nasen: Integrierbar: ultiple Datanalytik möglich Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 53

54 Elektronik- und ensoraterialien Ringvorlesung Bionik ensoren und Aktoren Zusammenfassung: Über die Funktionsweise von ensoren, Aktoren und die Informationsverarbeitung beim enschen ist verhältnismäßig viel bekannt. Funktionsprinzipien lassen sich meist nicht 1:1 umsetzten. Die physikalischen Prinzipien dahinter sind aber oft gleich Anleihen an die Natur werden aber häufig gemacht. Prof. Dr. Yvonne Joseph eite 54