Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren
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S E Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren M Elektronik- und SensorMaterialien Elektronikund Sensormaterialien Ringvorlesung Bionik Sensoren und Aktoren Prof. Dr. Yvonne Joseph S E M Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 1 S E M Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Literaturempfehlungen: Elektronik- und SensorMaterialien Deetjen/Speckmann ISBN-10: 3437413171 Hering/Schönfelder: ISBN 978-3-8348-8635-4 Gründler: ISBN 3-540-20984-0 Die Vorlesungsfolien finden Sie im Netz unter folgender Adresse: http://www.esm.tu-freiberg.de Vorlesung Bionik Benutzer: TUBAF Passwort: Reiz Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 2 S E Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren M Biosensoren und –aktoren im Menschen - Übersicht Elektronik- und SensorMaterialien Jeder Organismus muss mit der Umwelt in Wechselwirkung treten. Dabei wirkt die Umwelt auf den Organismus und wird mit Hilfe des sensorischen Systems im Organismus abgebildet. Umgekehrt führt der Organismus Handlungen in der Umwelt mit Hilfe des motorischen Systems aus. Sensorisches und motorisches System Muskel, Stimmband Haut, Augen, Ohren, Zunge, Nase Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 3 S E M Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Biosensoren und –aktoren – Vergleich Biologie vs. Technik Elektronik- und SensorMaterialien 3 2 1 Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 4 S E Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren M Elektronik- und SensorMaterialien 1. Signalverarbeitung Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 5 S E M Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Nervenzellen - Aufbau Elektronik- und SensorMaterialien Eine Nervenzelle (= Neuron) besteht im wesentlichen aus dem Zellkörper (= Soma, Durchmesser = ~20µm). Das Soma 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 Synapsen Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 6 Aufbau von Nervenzellen S E M Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Nervenzellen - Aufbau Elektronik- und SensorMaterialien Nervenzellen treten über ihre Axonenden mit anderen Zellen funktionell in Verbindung und ermöglichen so einen Informationsaustausch. Diese Kontakte (Synapsen) dienen der Weiterleitung von elektrischen und biochemischen Signalen. Am Axonende befindet sich der synaptische Endknopf ohne isolierende Umhüllung. Er enthält Bläschen, die die sog. Neurotransmitter enthalten und die für die die interzelluläre Signalübertragung verantwortlich sind. Nach ihrer Lokalisation am Zielneuron kann man axodendritische, axosomatische und axoaxonale Synapsen unterscheiden. Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 7 Aufbau von Nervenzellen S E Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren M Nervenzellen - Aufbau Elektronik- und SensorMaterialien Die Nervenzellen besitzen eine Membran die das Zellinnere vom Extrazellulärraum abgrenzt. Sie besteht aus einer Lipiddoppelschicht und ist ~8nm dick. Dabei lagern sich Proteine von der intra- oder extrazellulären Seite in die Membran ein oder durchsetzen sie. Sowohl der intra- als auch der extrazelluläre Raum enthält Ionen. Die Konzentrationen dieser Ionen bestimmen das Ruhepotential über die Membran. Die Ionen können selektiv durch die Membran transportiert werden. Dies geschieht durch Ionenkanäle über einen Konzentrationsgradienten (passiver Transport) und aktiv durch die sog. Natrium-Kalium-Pumpe. Ionenkonzentration in mmol/l Ion intrazellulär extrazellulär K+ 120-150 4-5 Na+ 5-15 140-150 Cl- 4-5 120-150 Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 8 Nervenzellmembran Selektive Permeabilität von Ionenkanälen S E M Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Nervenzellen - Ruhepotential Elektronik- und SensorMaterialien 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 Membranpotential von ~60-70 mV entsteht. Aktiver Transport: Na-K-Pumpe Passiver Transport: Diffusion Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 9 S E M Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Nervenzellen - Aktionspotentiale Elektronik- und SensorMaterialien Zur Erzeugung und Weiterleitung von Signalen muss sich das Membranpotential ändern. Dieses wird durch kurzzeitige Ionenströme durch die Zellmembran erzielt. Die dabei entstehenden Membranpotentialschwankungen charakterisieren den Aktivitätszustand der Nervenzelle und werden daher auch Aktionspotential genannt. Entstehung von Aktionspotentialen: Die Natriumkanäle öffnen sich, es strömt unter positiver Rückkopplung soviel Na+ ein, dass sich das Membranpotential 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 Seite 10 Aktionspotential S E M Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Reizweiterleitung – Einleitung Elektronik- und SensorMaterialien Bei der Reizweiterleitung muss zwischen 2 Formen unterschieden werden: 1. Der Reizweiterleitung (innerhalb einer Zelle) 2. Der Reizübertragung (zwischen Zellen) Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 11 S E M Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Reizweiterleitung – Reizweiterleitung in Axonen Elektronik- und SensorMaterialien Aktionspotentiale werden mithilfe von Kationenströmen entlang der Nervenfasermembran weitergeleitet. Die Kationen folgend dabei elektrischen Feldern im Zellinneren und –äußeren und führen bei Erreichen der Membranpotentialschwelle zu einer Fortleitung des Aktionspotentials entlang der Faser Reizweiterleitung in Axonen Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 12 S E M Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Reizweiterleitung – Reizweiterleitung in Axonen: Leitungsgeschwindigkeit Elektronik- und SensorMaterialien Die Geschwindigkeit mit der sich ein Aktionspotential über eine Nervenfaser ausbreitet hängt von mehreren Faktoren ab: 1. Je höher der Na+ Einstrom ist (höherer Strom zur Depolarisation benachbarter Abschnitte), 2. Je größer der Faserdurchmesser ist (niedriger intrazellulärer Widerstand), 3. Je höher der Membranwiderstand ist (schlechte Ableitung des Stroms über die Membran), Desto schneller entwickelt sich die elektrische Depolarisation und desto größer wird die Leitungsgeschwindigkeit. Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 13 S E M Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Reizweiterleitung – Reizweiterleitung in Axonen Elektronik- und SensorMaterialien Typen der Erregungsleitung: Bei marklosen Axonen laufen die Aktionspotentiale kontinuierlich über das Axon kontinuierliche Erregungsleitung. Bei markhaltigen Axonen springen die Aktionspotentiale von Schnürring zu Schnürring saltatorische Erregungsleitung. Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 14 S E M Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Reizweiterleitung – Reizübertragung über Synapsen Elektronik- und SensorMaterialien Informationen werden von einer Nervenzelle auf eine Andere über Synapsen weitergegeben, die sich nach morphologischen und funktionellen Kriterien in 2 Typen differenzieren lassen: Elektrische Synapse: der synaptische Spalt wird über verbindende Proteine (sog. Connexine) überbrückt. Die Erregung kann also direkt über elektrische Ströme übertragen werden. Chemische Synapse: der synaptische Spalt wird über diffundierende Moleküle (sog. Transmitter) überbrückt. Diese werden in der präsynaptischen Struktur synthetisiert und in Vesikeln gespeichert und zum synaptischen Spalt transportiert und dort freigesetzt. Die freigesetzten Transmitter werden an einen Rezeptor an der postsynaptischen Membran gebunden, der dann wiederum einen Ionenkanal öffnet. Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 15 Typen von Synapsen S E M Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Reizweiterleitung – Reizübertragung über Synapsen Elektronik- und SensorMaterialien Bei chemischen Synapsen wird weiterhin zwischen exzitaorischen und inhibitorischen Synapsen unterschieden. Diese können die Entstehung eines Aktionspotential entweder anregen (exitatorisch) oder verhindern (inhibitorisch) Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 16 S E M Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Reizweiterleitung – Verschaltung von Synapsen Elektronik- und SensorMaterialien Für die Informationsverarbeitung im Nervensystem ist die zeitliche und räumliche Summation (Bahnung) der postsynaptischen Potentiale von herausragender Bedeutung. Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 17 S E M Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Reizweiterleitung – Verschaltung von Synapsen Elektronik- und SensorMaterialien Man unterscheidet Neuronenketten sowie divergente und konvergente Systeme. Divergent: besteht eine hinreichende Bahnung wird ein Aktionspotential, das an einem Startneuron 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 Startneuronen Aktionspotentiale gesendet werden(räumliche Bahnung). blau = exitatorisch Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 18 S E M Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Reizweiterleitung – Verschaltung von Synapsen Elektronik- und SensorMaterialien Werden in Netzwerke aus exitatorischen Neuronen auch inhibitorische Neuronen eingefügt eröffnen sich weitere Verschaltungsmöglichkeiten: Rückwärtshemmungen: bewirken eine Begrenzung der Wiederholungsfrequenz des Startneurons Vorwärtshemmungen: erhöhen die Kontrastbildung durch Kemmung benachbarter Ketten laterale Hemmung Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 19 S E M Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Reizweiterleitung – Verschaltung von Synapsen Elektronik- und SensorMaterialien Laterale Hemmung Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 20 S E Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren M Reizweiterleitung – Verschaltung von Synapsen Elektronik- und SensorMaterialien 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 Seite 21 S E M Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Reizweiterleitung – Verschaltung Elektronik- und SensorMaterialien Neues Forschungsfeld: Neuroelektronik Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 22 von Synapsen S E Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren M Reizweiterleitung – Verschaltung von Synapsen Elektronik- und SensorMaterialien Electrical recording from rat cardiac myocytes after 3 days in culture. Measurements performed simultaneously by FET (lower trace) and microelectrode (upper trace) Offenhäusser et al. Bleibende Herausforderungen: • Geordnete Immobilisation und elektrische Kontaktierung von lebenden Zellen • Stabilität Technische elektronische Bauelemente sind heute schon kleiner !!! Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 23 S E Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren M Elektronik- und SensorMaterialien 2. Beschleunigungssensoren Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 24 S E M Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Biosensoren im Menschen Elektronik- und SensorMaterialien Historisch: Konzept der fünf Sinne: Fühlen, sehen, hören, schmecken, riechen Heute: Sinne mit ihren unterschiedlichen Modalitäten • Somatoviszerale Sensibilität: • Tastsinn (Oberfläche) • Propriozeption (Tiefe) • Temperatursinn • Juckempfindung • Schmerzsinn • Sehen • Hören • Gleichgewichtssinn • Schmecken • Riechen Jede der Modalitäten kann noch unterschiedliche Submodalitäten haben. Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 25 S E Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren M Biosensoren im Menschen - Reize und Transduktion Elektronik- und SensorMaterialien Unabhängig von den Eigentümlichkeiten der verschiedenen Sinne werden in jedem System vier essentielle Eigenschaften eines Reizes kodiert. • Qualität • Intensität • Dauer • Räumliche Dimension Reiz Transduktion Rezeptorpotential Transformation Aktionspotential Konduktion Transduktion: Umwandlung des Reizes in eine elektrische Potentialänderung Transformation: Das Rezeptorpotential wird beim Überschreiten einer Schwelle durch die Öffnung potentialabhängiger Natriumkanäle in ein Aktionspotential umgewandelt. Konduktion: Reizweiterleitung Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 26 S E Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren M Technische Sensoren Elektronik- und SensorMaterialien Physikalischer Sensor Chemischer Sensor 1. Physikalische Wechselwirkung 2. Elektrische Signalgenerierung Prof. Dr. Yvonne Joseph 1. Transport der Analyte 2. Chemische Wechselwirkung 3. Umwandlung in ein Physikalisches Signal 4. Elektrische Signalgenerierung Seite 27 S E M Elektronik- und SensorMaterialien Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Bewegungssensoren Bewegungssensoren lassen sich in drei Kategorien einteilen: • Beschleunigungssensoren • Gyroskope • Magnetfeldsensoren Diese können einzeln oder auch in Kombination eingesetzt werden Beschleunigungssensoren Messen die Beschleunigung in drei Richtungen: (hochrunter, links-rechts und vorzurück) Prof. Dr. Yvonne Joseph Gyroskope Messen die Rotation in drei Richtungen: Seite 28 Magnetfeldssensoren S E M Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Biosensoren - Der Gleichgewichtssinn Elektronik- und SensorMaterialien Die Wahrnehmung der Gravitation hat ihr Zentrum im Gleichgewichtsorgan (vestibuläres System) von Innenohr. Essenziell ist außerdem das visuelle System. Zum Gleichgewichtssinn tragen außerdem bei: • die Muskulatur des Skeletts - bei Körperdrehungen und teilweise bei Beschleunigung • das Gesäß (in der Fliegersprache das „Sitzfleisch“) - bei Beschleunigungen vor allem in vertikaler Richtung • das Gehör - zur Schätzung von Geschwindigkeiten mit Hilfe von Luftgeräuschen, sowie • der Hautsinn - für Eigen- und Luftbewegungen. Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 29 S E M Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Biosensoren - Das menschliche Ohr Elektronik- und SensorMaterialien Außenohr: ist das sichtbare Ohr. Das Trommelfell ist ein dünnes Häutchen. Es vibriert im Rhythmus der Schallwellen und leitet diese Vibration an die Knöchelchen des Mittelohrs weiter. Mittelohr: ist eine Höhle (Paukenhöhle). Hier befinden sich die drei kleinsten Knochen des menschlichen Körpers, die Das menschliche Ohr Gehörknöchelchen Hammer, Amboss und Steigbügel. Während der Hammer direkt mit dem Trommelfell verbunden ist, befindet sich der Steigbügel unmittelbar am „ovalen Fenster”, einer zweiten dünnen Membran. Sie verbindet das Außenohr mit dem Innenohr und „übersetzt” die Schallwellen der Luft in die entsprechenden Signale für das Innenohr, das mit Flüssigkeit gefüllt ist. Das ovale Fenster überträgt die Informationen des Mittelohrs in das Innenohr. Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 30 S E M Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Biosensoren - Der Gleichgewichtssinn: Vestibuläres System Elektronik- und SensorMaterialien Das vestibuläre System besteht aus insgesamt 5 Organen: • den zwei Macula- oder Otolithenorganen (in Utriculus und Sacculus) zur Detektion der Linearbeschleunigung • den drei Bogengängen zur Detektion von Drehbeschleunigungen Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 31 S E Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren M Biosensoren - Der Gleichgewichtssinn Elektronik- und SensorMaterialien Die Sinnesepithelien des Utriculus und Sacculus sind flächig und enthalten jeweils 30000 bzw. 16000 Haarzellen. Die Otolithen in ihnen sind aus Calcit und haben eine höhere Dichte als die sie umgebende Lymphe (träge Masse). Sie 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 Seite 32 S E M Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Biosensoren - Haarzellen Elektronik- und SensorMaterialien Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 33 S E M Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Biosensoren - Der Gleichgewichtssinn : die Bogengänge Elektronik- und SensorMaterialien Bei einer Drehbeschleunigung des Kopfes um eine Achse die senkrecht zur Bogengangsachse steht wird die Cupula ausgelenkt (Massenträgheit 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 Seite 34 S E M Elektronik- und SensorMaterialien Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Beschleunigungssensoren - Funktionsweise Die geradlinige Beschleunigung ist eine Messgröße, die mit den Messgrößen Kraft F, Geschwindigkeit v und Weg s über physikalische Grundgleichungen verbunden ist. Das Formelzeichen ist a, die Einheit m/s2 (oder ein Vielfaches des mittleren Wertes der Erdbeschleunigung). Der Zusammenhang der Kraft mit der beschleunigten Masse durch das 2. Newtonsche Axiom gegeben : F m a Grundprinzip: Feder F a m Das Grundprinzip aller Beschleunigungssensoren besteht darin, die Wirkung der Beschleunigung auf ein gedämpftes Feder-Masse-System zu messen. Die Wirkung der Beschleunigung besteht darin, dass die elastisch an das Gehäuse angekoppelte seismische Masse sich bei Beschleunigung gegenüber dem Gehäuse verschiebt (Strecke s). Hook´sches Gesetz Prof. Dr. Yvonne Joseph F k s a Seite 35 a k s m S E M Elektronik- und SensorMaterialien Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Beschleunigungssensoren Beschleunigungssensoren bei denen die Änderungen von Kapazitäten zur Messung der Verschiebung der seismischen Masse verwendet wird, sind die am häufigsten verbreiteten. Die Abbildung zeigt den prinzipiellen Aufbau eines kapazitiven Beschleunigungs-Sensors. Die elastisch aufgehängte Masse m ist als Elektrode eines oder mehrerer Kondensatoren ausgebildet, wobei diese Anordnung vorzugsweise als Differentialkondensator aufgebaut ist, so dass sich der Plattenabstand s0 des einen Kondensators um den gleichen Betrag s verringert wie sich der des anderen vergrößert. s0+s a s0-s a 2Um s s0 Us s0±s Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 36 S E M Elektronik- und SensorMaterialien Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Beschleunigungssensoren – Technische Realisierung Um den Effekt zu vergrößern werden häufig Ausführungen mit Kammkondensatoren gewählt: Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 37 S E M Elektronik- und SensorMaterialien Ringvorlesung Bionik – Sensoren 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 Messrichtung unterscheiden, hergestellt. x und y werden senkrecht zueinander in der Ebene gemessen. z wird aus der Ebene herausgemessen Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 38 S E Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren M Elektronik- und SensorMaterialien 3. Gassensoren Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 39 S E M Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Biosensoren - Die Nase Elektronik- und SensorMaterialien 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 (5cm2 =10-30 Millionen Riechzellen) Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 40 S E Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren M Biosensoren - Das Riechepithel Elektronik- und SensorMaterialien Das Epithel wird von einer einzelnen Schicht Stützzellen zur Nasenhöhle hin begrenzt. Darunter erkennt man die Riechzellen, primäre Neurone, deren Axone in der Submucosa gebündelt werden und dann zum Riechkolben ziehen, wo sie mit Mitralzellen Synapsen bilden. Riechzellen haben eine Lebenszeit von nur wenigen Wochen. Sie sterben nach 3 - 6 Wochen ab und werden durch nachdifferenzierende Basalzellen ersetzt. 10 µm Aufbau des Riechepithel Riechzellen Stützzellen Riechepithel Basalzellen Bowman Drüse Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 41 S E Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren M Biosensoren - Das Riechepithel Elektronik- und SensorMaterialien Die chemosensorischen Teile der Riechzellen sind die Zilien. Von einer Verdickung am Ende des Dendriten einer jeden Riechzelle gehen 10 - 20 Zilien aus und reichen in die Nasenhöhle. Dort liegen die Zilien in einer Mukusschicht, die von den Bowman Drüsen gebildet wird. Duftstoffe aus der Atemluft lösen sich in der Mukusschicht, 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 Substanzen. Olfaktorische Rezeptoren sind 7-Transmembran-Helix-Rezeptoren Odorant Bindungsplatz Blau: Strictly conserved Rot: Highly variable Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 42 S E M Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Biosensoren - Signaltransduktion in Riechzellen Elektronik- und SensorMaterialien 1000 Rezeptorgene von denen nur ~300 funktionell sind NH2 N cAMP N O N N O O P O OH O- Kationenfluss depolarisiert die neuronale Membran ⇒ Aktionspotential wird induziert Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 43 S E M Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Biosensoren - Signaltransduktion in Riechzellen Elektronik- und SensorMaterialien Die meisten bekannten Duftstoffe aktivieren über ein G-Protein (Golf) die olfaktorische Adenylatzyklase (AC), so dass bei Duftstimulation die cAMP-Konzentration in den Zilien ansteigt. cAMP aktiviert Kationenkanäle in der Zilienmembran. Diese leiten vor allem Calcium aus dem Mukus in die Zilien. Dies wiederum führt zur Öffnung Calcium-gesteuerter Chloridkanäle, die einen Chloridfluss aus den Zilien in den den Mukus leiten. Kationeneinstrom + Anionenausstrom = Rezeptorstrom, der die Zilienmembran depolarisiert und die Zelle elektrisch erregt. Calcium sorgt auch für die Abschaltung des Rezeptorstroms: Die cAMP-gesteuerten Kationenkanäle werden gehemmt, und gleichzeitig wird die cAMP-Konzentration durch Phosphodiesterase (PDE) gesenkt. Calcium wird aus den Zilien durch Na/CaAustauscher entfernt. Diese Moleküle nutzen die elektrochemische Potentialdifferenz des Na und koppeln Ca-Export an den Na-Einstrom. Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 44 Signaltransduktion in Riechzellen S E M Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Biosensoren - Signalweiterleitung in Riechzellen Elektronik- und SensorMaterialien 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 Mitralzellen eines Glomerulus werden also nur bei Detektion einer kleinen Gruppe von Duftstoffen aktiviert. Da unterschiedliche Glomeruli mit Riechzellen unterschiedlicher Selektivität verbunden sind, ergibt sich bei Stimulation 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 Seite 45 S E M Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Biosensoren - Signaltransduktion in Riechzellen Elektronik- und SensorMaterialien Riechzellen sind weder sehr spezifisch (selektiv) noch sehr empfindlich. Mit 350 verschiedenen Riechzellen können jedoch alle Duftstoffe durch Musteranalyse erkannt werden. Reaktion unterschiedlicher Riechzellen auf verschiedne Duftstoffe Duftstoffe Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 46 norm. Rezeptorstrom Empfindlichkeit zweier Riechzellen OSN1 OSN2 S E Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren M Elektronsiche Nasen Elektronik- und SensorMaterialien Rezeptoren in der Nase Mustererkennung Signal Signalmuster 1 Probe 2 3 Signal S3 Signal S2 time S1 time time Sensor-Feld Prof. Dr. Yvonne Joseph Mustererkennung Seite 47 S E Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren M Kommerzielle elektronische Nasen Elektronik- und SensorMaterialien Electronic Nose System Manufacturer Prof. Dr. Yvonne Joseph WMA Airsense Analysentechnik GmbH Fox x000 AlphaMOS AromaScan OsmeTech Inc. BH114 Bloodhound Sensors Inc. Cyranose 320 Cyrano Sciences Ltd. Enose 5000 Marconi Ltd. Znose 4200 Electronic Sensor Tech. QMB6 – HS40XL HKR Sensorsystem GmbH MOSES II Lennartz Electronik GmbH NST 3210 Nordic Sensor Technologies OligoSense OligoSense SAM Daimler RST Rostock SMart Nose 300 SMart Nose VOCmeter MoTech Sensorik, GmbH FreshSense Element Ltd. 4440B HP – Agilent Technologies VaporLab MicroSensor Inc. Libra Nose Technobiochip Sensor Technology # of Sensors Pattern Recognition Algorithms MOS 10 ANN, DC, PCA QCM, SAW, CP, MOS 6-24 ANN, DFA, PCA CP 48 ANN, FL CP 14 ANN, CA, DA, PCA ? U.K. CP 32 PCA 5,000 USA QCM, MOS, CP, SAW 8-28 ANN, DA, PCA ? U.K. SAW, GC 6-15 SPR 19,50025,000 USA QCM 6 ANN, PCA ? Germany QCM, MOS 16 ANN, PCA ? Germany MOS, FET, QCM 22 ANN, PCA 40,00060,000 Sweden CP ND/PR ND/PR ? Belgium QCM, SAW, MOS 6-10 ANN, PCA 50,000 Germany MS N/A DA, PCA ? Switzerland QCM, MOS 8 ANN, PCA ? Germany MOS ND/PR ND/PR ? Iceland MS N/A Various Chemometrics 79,900 USA SAW 2 ND/PR 5,000 USA QCM 8 ND/PR 5,000 Italy Seite 48 Price ($) 20,00043,000 20,000100,000 20,00075,000 Country of Origin Germany France U.K. S E M Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Chemisensitive Schichten - Baukastenprinzip Elektronik- und SensorMaterialien Modularität (auch Baukastenprinzip) ist die Aufteilung eines Ganzen in Teile, die als Module, Bauelemente oder Bausteine bezeichnet werden und über entsprechende Schnittstellen interagieren. Bei einem modularisierten Aufbau werden Gesamtsysteme aus standardisierten Einzelbauteilen entlang definierter Schnittstellen zusammengesetzt. Mögliche Vorteile sind: • Variationen durch Kombination mehrerer Komponenten verschiedener Gruppen aus einer Produktklasse • Billige Herstellung durch baugleiche Serien • Niedrige Entwicklungskosten und schnellere Produktzyklen Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 49 S E Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren M Chemisensitive Schichten - Baukastenprinzip Elektronik- und SensorMaterialien Organische Linker Moleküle: Metall-Nanopartikel: HS Metallzentrum Ligand N R • Anpassbare Sensitivität („Rezeptoren“ für Organik) • Raumtemperaturbetrieb (niedriger Energieverbrauch) • gute mechanische Stabilität Anwendung in Flüssigkeiten H H • hohe Empfindlichkeit (hohe Oberfläche) • Leitfähiges Material Einfache Signaltransduktion (R) •Anpassbare Sensitivität („Rezeptoren“ für Gase) KompositFilm Selbstassemblierbar: • Kontrolle der molekularen Architektur • sehr dünne Filme (<50nm) Schnelle Ansprechzeiten Transducer: ID-Au-Electrodes Prof. Dr. Yvonne Joseph SH Seite 50 S E Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren M Chemisensitive Schichten - Baukastenprinzip Elektronik- und SensorMaterialien Forschungsthema am IESM: Chemische Sensoren auf Goldnanopartikel-Basis Messung Herstellung Gold-Nanopartikel Filmabscheidung Foto: Müller Cheese Herstellung org. Moleküle Camembert Roquefort Leerdammer Pont l’Évêque Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 51 S E M Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Vorteile elektronischer Nasen: Elektronik- und SensorMaterialien Variationsmöglichkeiten: • Design des Arrays • Variation/Kombination des Transducers Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 52 S E M Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren Vorteile elektronischer Nasen: Elektronik- und SensorMaterialien • Integrierbar: • Multiple Datanalytik möglich Prof. Dr. Yvonne Joseph Seite 53 S E Ringvorlesung Bionik – Sensoren und Aktoren M Elektronik- und SensorMaterialien Zusammenfassung: • Über die Funktionsweise von Sensoren, Aktoren und die Informationsverarbeitung beim Menschen 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 Seite 54
