1

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

3

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, ..

5

Dimensionsvergleich I

6

Dimensions

-vergleich

II

7

MST Vision

Die phantastische Reise, 1965

8

MST Beispiele I

9

MST Beispiele II

Drehratensensor

Spiegel

Mikromotoren

10

MST Anwendungen

Automobilindustrie

Medizintechnik

Bio- und Umwelttechnologie

Rechnertechnik undConsumer Elektronikgeräte

Kommunikationsindustrie

Intelligente Kleider

Mikroreaktoren

Luft- und Raumfahrt

....

11

Beschleunigungssensor für Airbag

12

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

• ....

17

MST Techniken

18

Herstellung Planar-NPN-Transistor

Basisfenster

P-Dotierung & Oxid.

Emitterfenster

N-Dotierung

Kontaktfenster

19

LIGA

20

Mikro/Nanofluidik Komponenten

21

Mikro/Nano-

fluidik I

Mikromedizin

22

Mikro/Nanofluidik II

Drug delivery Systeme in der Mikromedizin

23

Mikro/Nanofluidik III

Lab-on-chip Systeme

z.B. Blutuntersuchung

24

Mikro-

Aktoren

25

Mikrosensoren I

Druck Beschleunigung

Feuchtigkeitphysikalisch: T, P, Feuchte, Licht, ...

chemisch: Gase, Flüssigkeiten, (an)organisch, ...

biologisch: DNA, Proteine, Ionen, ...

26

Mikrosensoren II

Biosensoren

...

27

Entwicklungsfocus beiMikrosensoren

Miniaturisierungverringerter Energiebedarfschneller‘smarter’kabellos ferngesteuertAutomationbio / chem. MessungenUmweltüberwachung

28

Anforderungen an biomedizinischen Sensor

Biokompatibel (Materialeigenschaften)Geringer Energiebedarf Robust und fehlertolerantSichere Datenübertragung DIN, ISO, Medizingerätezulassung

29

Biomedizinische MST Anwendungen I

Chips zur DNA oder Protein-AnalyseCell-Based BiosensorenChemische MikrosensorenHerzschrittmacherInnenohrimplantate NervensteckerSehimplantat...

30

Rasterkraft-Mikroskopie (AFM)

31

Rastersonden-Mikroskopie SNOM

32

SNOM Messspitze

33

MST Beispiele Bio

34

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

35

Bsp. Nerven-

Kontaktierung I

Quelle: IBMT 36

Bsp. Nerven-Kontaktierung II

Quelle: IBMT

37

Bsp. Nerven-Kontaktierung III

Quelle: IBMT38

Bsp. Hörgerät

39

Bsp. Multielektrodenarrays (MEAs)

40

MEA Cardiac

Quelle: NMI Reutlingen

41

MEA NMI Brain

Quelle: NMI Reutlingen42

MEA NMI Retina

Quelle: NMI Reutlingen

43

Bsp. Retina Interface

Bild-Quelle: IBMT44

Sensor-Based Visual Prostheses

Retinal Implant Cortical ImplantBild-Quelle: IBMT

45

Data Processing and Communication

46

Bsp. Netzhaut-Implant

Bild-Quelle: IBMT

47

Bsp. Evaneszenter Biosensor I

48

Bsp. Evaneszenter Biosensor II

49

Bsp. DNA-Chip

50

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.

51

Bsp. Gewebeherstellung

Bild-Quelle: IBMT52

Biotelemetrie

z.B. Transpondertechnik

http://www.holohil.com/lb2pic.htm

- http://www.lotek.com/

53

Cell based Sensors

Messung mechanischer Kräfte

Einsatzgebiete:• Medikamenten-Entwicklung• Neuronale Netzwerke • Medizinische Diagnostik• Umweltüberwachung • ....

54

Bsp. Virus-Detektor

55

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

57

Physical Biological Chemical

Terrestrial

58

•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

60

• 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 ©

61

• 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

62

Physical Biological Chemical

Aquatic Environments

63

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

64

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)

65

• 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.

66

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

68

Wichtig zu BioMST:

Einsatzgebiete von Mikrosystemen

Beispiele Sensoren und Aktoren

Neue Möglichkeiten durch BioMST