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VL Grundlagen der BiophysikDat. Name Thema
7 26.4. Wachner TD: Donnan-Gleichgewicht, Nernst-Gleichung, Goldmann-Gleichung,
8 3.5. Wachner TD: Berechnung von Fluxen, Flux ungeladener Stoffe, Elektrolytfluxe
9 8.5. Baumann Aktive elektrische Eigenschaften: Transmembranpotential, Nervenerregung, Patch Clamp
10 10.5. Gimsa Passive elektrische Eigenschaften (PEE): Elektrische Zellstruktur, Oberflächenpotentiale, Elektrokinetische Erscheinungen
11 15.5. Gimsa PEE: Feldverlauf um Zellen, Impedanz, induziertes Transmembranpotential
12 17.5. Seminar/Fragestunde und Testat
13 22.5. Gimsa PEE: elektrisch induzierte Kräfte, AC-Elektrokinetik, Elektrodeformation, Zellsammlung, Dielektrophorese, Elektrorotation
14 24.5. Baumann Membran als Grenzfläche: Grenzflächenspannung, Rastermikroskopietechniken
15 29.5. Baumann Biomechanik (BM): Ähnlichkeitsanalyse, Allometrie, Elastizität
16 31.5. Kuznetsov BM: Zytomechanik
7.6. Reserve (Pfingstwoche=Projektwoche)
17 12.6. Baumann BM: Skelett, Rheologie, Blutkreislauf
18 14.6.
19 19.6. Baumann BM: Strömungen, Schwimmen und Fliegen
20 21.6. Baumann Moderne Entwicklungen: Biologische Anwendungen der Mikrosystemtechnik
21 26.6. Wachner Physikal. Umweltfaktoren: Ionisierende Strahlung, Einführung Radioökologie
22 28.6. Haberland Physikal. Umweltfaktoren: Nichtionisierende Strahlen
23 3.7. Sakowski Grundlagen der Systemtheorie: Kinetik, Stoffwechsel- und Austauschsysteme
245.7. Sakowski Grundlagen der Systemtheorie: Modelle zur Vermehrung, Populationskinetik
25 10.7. Seminar/Fragestunde
26 12.7. KLAUSUR 2
Biologische Anwendungen
der Mikrosystemtechnik
MST Basics
Einsatzgebiete
Technik
Biologie
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Was sind Mikrosysteme?
Zusammenfassung mehrerer Einzelfunktionen zu miniaturisierten, intelligenten Gesamtsystemen 4
http://www.gmu.edu/departments/seor/student_project/syst101_00b/team07/components.html
Mikrosysteme
Datenaufnahme und -verarbeitung
Erfassen biologische, chemische und physikalische Daten
(Gehirn)
(Auge, Nase, Ohr, . . .)
beeinflussen die Umgebung
Ventile, PumpenMikrofluidik, ..
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Dimensionsvergleich I
6
Dimensions
-vergleich
II
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MST Vision
Die phantastische Reise, 1965
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MST Beispiele I
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MST Beispiele II
Drehratensensor
Spiegel
Mikromotoren
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MST Anwendungen
Automobilindustrie
Medizintechnik
Bio- und Umwelttechnologie
Rechnertechnik undConsumer Elektronikgeräte
Kommunikationsindustrie
Intelligente Kleider
Mikroreaktoren
Luft- und Raumfahrt
....
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Beschleunigungssensor für Airbag
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MST
Anwendungen
mst news 03/06
13
MST Anwendungen
mst news 03/0614
MST Applications
mst news 03/06
15
Smart Clothes
mst news 03/0616
MST-Techniken
Systemtechniken
• Systemkonzepte• Signal- und Informations-
verarbeitung
• Entwurf- und Simulation
• Test und Diagnose• Aufbau- und Verbind-
ungstechnik (AVT)
• Gehäusetechniken
• Standardisierung
• ....
Mikrotechniken
• Schichttechniken• Mikromechanik
• Mikroelektronik• Mikro- und integrierte
Optik, Faseroptik
• Mikroabformung
• Mikrofluidiktechniken
• ....
Effekte
• Piezoelektrischer Effekt• Elektrostatische Kräfte
• Elektromagnetische Felder
• Shape Memory Effekt• Bio-/chemische Effekte
• ...
Materialien
• Metalle
• Polymere
• Silizium
• Glas
• Keramik
• ....
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MST Techniken
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Herstellung Planar-NPN-Transistor
Basisfenster
P-Dotierung & Oxid.
Emitterfenster
N-Dotierung
Kontaktfenster
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LIGA
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Mikro/Nanofluidik Komponenten
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Mikro/Nano-
fluidik I
Mikromedizin
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Mikro/Nanofluidik II
Drug delivery Systeme in der Mikromedizin
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Mikro/Nanofluidik III
Lab-on-chip Systeme
z.B. Blutuntersuchung
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Mikro-
Aktoren
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Mikrosensoren I
Druck Beschleunigung
Feuchtigkeitphysikalisch: T, P, Feuchte, Licht, ...
chemisch: Gase, Flüssigkeiten, (an)organisch, ...
biologisch: DNA, Proteine, Ionen, ...
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Mikrosensoren II
Biosensoren
...
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Entwicklungsfocus beiMikrosensoren
Miniaturisierungverringerter Energiebedarfschneller‘smarter’kabellos ferngesteuertAutomationbio / chem. MessungenUmweltüberwachung
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Anforderungen an biomedizinischen Sensor
Biokompatibel (Materialeigenschaften)Geringer Energiebedarf Robust und fehlertolerantSichere Datenübertragung DIN, ISO, Medizingerätezulassung
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Biomedizinische MST Anwendungen I
Chips zur DNA oder Protein-AnalyseCell-Based BiosensorenChemische MikrosensorenHerzschrittmacherInnenohrimplantate NervensteckerSehimplantat...
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Rasterkraft-Mikroskopie (AFM)
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Rastersonden-Mikroskopie SNOM
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SNOM Messspitze
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MST Beispiele Bio
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Biomed. MST Anwendungen II
Miniaturisierung von technischenStrukturen und Systemen auf die Größevon biologischen Zellen
z.B. simultane Vielkanalkontaktierung
Arraytechniken (z.B. Multielektroden- oder FET-Arrays)
Neue Ansätze für die Informationsverarbeitung
Medikamentenentwicklung
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Bsp. Nerven-
Kontaktierung I
Quelle: IBMT 36
Bsp. Nerven-Kontaktierung II
Quelle: IBMT
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Bsp. Nerven-Kontaktierung III
Quelle: IBMT38
Bsp. Hörgerät
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Bsp. Multielektrodenarrays (MEAs)
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MEA Cardiac
Quelle: NMI Reutlingen
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MEA NMI Brain
Quelle: NMI Reutlingen42
MEA NMI Retina
Quelle: NMI Reutlingen
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Bsp. Retina Interface
Bild-Quelle: IBMT44
Sensor-Based Visual Prostheses
Retinal Implant Cortical ImplantBild-Quelle: IBMT
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Data Processing and Communication
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Bsp. Netzhaut-Implant
Bild-Quelle: IBMT
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Bsp. Evaneszenter Biosensor I
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Bsp. Evaneszenter Biosensor II
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Bsp. DNA-Chip
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http://www.dynamax.com/
• FUNCTION: Measures Sap Velocity g/hr (transpiration)• APPLICATION: herbs, grasses, shrubs, trees• PRINCIPLE: thermocouples (heat), plant energy balance• PROS: Real-Time, No calibration• CONS: need many, not wireless
Sap Flow SensorsBsp.
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Bsp. Gewebeherstellung
Bild-Quelle: IBMT52
Biotelemetrie
z.B. Transpondertechnik
http://www.holohil.com/lb2pic.htm
- http://www.lotek.com/
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Cell based Sensors
Messung mechanischer Kräfte
Einsatzgebiete:• Medikamenten-Entwicklung• Neuronale Netzwerke • Medizinische Diagnostik• Umweltüberwachung • ....
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Bsp. Virus-Detektor
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Cell Monitoring Systems (CMS)
chemisch/physikal.Sensoren
outputsDaten-
erfassunginputs
Zell(en)
Test Substanz outputs
physiologischeinputs
(O2, Glukose, Hormone,T, pH, ..)…
H+, CO2, adh., meta-bol., ..…
Neuronen auf Elektroden
(nach 3 Tagen auf dem Chip)
Zellen auf pH-ISFET 20x2µm2
Halbleiter-Sensorchip in Keramikträger
Sensorchip mit Verkapselungstrog 56
Zellwachstumssteuerung durch
Oberflächenstrukturierung
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Physical Biological Chemical
Terrestrial
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•Alkanes•Cyclo-Alkanes•Alkenes•Alcohols•Aromatics•Ketones•Esters•Organo Phosphonates•Pesticides•Amines•Pyridines•Phenols•Organic Acids•Aldehydes•Halides
- http://www.femtoscan.com/evm.htm
• FUNCTION: Vapor detector• APPLICATION: Trace gases emissions• PRINCIPLE: Ion mobility spectrometry, Gas chromatography • PROS: Real-time, No carrier gas, ppb sensitivity, Hand portable, Reliable,
Good reproducibility• CONS: Expensive
Portable Gas Chromatograph
59http://www.sandia.gov/media/NewsRel/NR2000/labchip.htm
• FUNCTION: Autonomous chemical detector • APPLICATION: Gas, Liquid, DNA• PRINCIPLE: GC/LC separator &
coated SAW array• PROS: Ppb level detection, Gas & Liquid, Small
Chem-lab on a chip
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• FUNCTION: ID gases and quantify concentrations (ppb- ppt)• APPLICATION: Air, Water, Soil, Plant volatiles. . .• PRINCIPLE: SAW sensor(s) & Micro-GC• PROS: Quick (10 sec), Small, Sensitivity, Remote option
http://www.estcal.com/Products.html
Electronic Nose (s)zNose ©
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• FUNCTION: ID chemical composition of liquids• APPLICATION: Dissolved organics & inorganics,
Aquatic mold growth, Soil analysis• PRINCIPLE: 100’s of microsensors on chip,
Colors change depending on chemicals,Results read by camera on a chip
• PROS: Cheap, Disposable, Qualitative, Quantitative, Several analyses simultaneously
http://www.alpha-mos.com/proframe.htm
Electronic Tongue
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Physical Biological Chemical
Aquatic Environments
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http://www.hydrolab.com/
• FUNCTION: Measures 15 or more parameters including: Temperature, pH, Nutrients, Gas, Chlorophyll
• APPLICATION: Fresh & Marine water (physical, chemical)
• PRINCIPLE: Sensor cluster & Datalogger• PROS: Multiple parameters simultaneously, Automated
Multi-Parameter Sondes
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http://www.dsl.whoi.edu/DSL/dana/abe_cutesy.html
• FUNCTION: Automated ocean surveyors• APPLICATION: Deep ocean surveys• PRINCIPLE:Video, Temp, Salinity, Magnetometer,
Optical backscatter, Acoustic altimeter• PROS: ‘Smart’, Autonomous, Multiple parameters
Autonomous Underwater Vehicles (AUV)
Autonomous Benthic Explorer (ABE)
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• FUNCTION: Acoustical, physiological and environmental data (6-9 hrs)• APPLICATION: Marine mammals (whales, dolphins, manatees etc)• PRINCIPLE: Micro-sensors (pressure, hydrophone, temp, accelerometer)
VHF radio beacon • PROS: Non-invasive, compact, re-useable, over 2000m depth, tag potted in epoxy • CONS: Suitability depends upon movement and skin quality, challenging to apply
http://dtag.whoi.edu/tag.html Digital Whale Tag
Photos: Copyright, Woods Hole Oceanographic Institution, The DTAG Project. Mark Johnson and Peter Tyack, funded by ONR, NMFS, WHOI.
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Sensor Netzwerk
Fluss-Sensor Array
BodenprobenArray
Multiparameter Boden-Probe
‘Smart Dust’ markierte Insekten
E-Zunge
Sensor bestückte “Mikroinsekten”
RF Telemetrie an Tieren etc.
Wetterstation
E-Nase
Umweltsensoren
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Nano-Visionen
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Wichtig zu BioMST:
Einsatzgebiete von Mikrosystemen
Beispiele Sensoren und Aktoren
Neue Möglichkeiten durch BioMST