tanja steiner & helmut dier bio- und nanostrukturen, biosensoren
Post on 06-Apr-2015
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Tanja Steiner & Helmut Dier
Bio- und Nanostrukturen, Biosensoren
Inhalt
• 1.) Einleitung (warum Bio-nanostrukturen)• 2.) Biologische Systeme (Nervenzellen)• 3.) S-Layers als Grundstrukturen für
– a) Bio-Materialien– b) strukturierte Nanotechnologie– c) Bildverarbeitung der beobachteten
Strukturen• 4.) Ausblick auf die Evolution der „Nanowelt“
Nervensignal
• Entstehung im Zellkern
• Signalverlauf entlang der Nervenfaser (Axon) Länge der Nervenfaser: 1cm - 1m
Zellkern
Enthält u. a. für den Stoffwechsel wichtige Organellen
Mitochondrien Energiegewinnung
Endoplasmatisches Retikulum: Synthese der von der Zelle benötigten Eiweißstoffe (Proteine)
www.diezelle.de
Nervenfaser
• Isolierend durch die Myelinhülle umgeben
• Fortpflanzung des Nervensignals über die Ranvierschen Schnürlinge
Synapsen
• Ende der Nervenfaser im synaptischen Endknöpfchen.
• Kontakt zwischen Zellkörper und den von ihm ausgehenden Dentriten mit anderen Nervenfasern.
NeuronenartenDas menschliche Kleinhirn besteht aus über 1010 Zellen, die in 5 verschiedenen neuronalen Typen vorliegen
Purkinje-Zellen, Granule-Zellen, Golgi-Zellen ,
Korb-Zellen, sternförmige Zellen
Zellmembran
Für Säugetiere:
Zwei Schichten vier verschiedener Phosphatmolekülschichten mit Unterschieden in den dipolaren Enden N und O.
Strommessung
Messung des Ionenstromes eines einzelnen Übertragungskanals
Pipettenlösung verursacht Durchlassmechanismus.
Messschema
S-Layers (Surface Layers)
• Kristalline Schichten auf äußerer Zellmembran
• Aufbau durch Selbstorganisation
• Bildung wegen– Umweltbedingungen– ök. Bedingungen
Picture by: Margit Sára and Uwe Sleytr
Auftreten und Struktur der S-Layers
U.B.Sleytr et al. Angew.Chem.Int.Ed. 1999, 38, 1034
Wichtig: Genaue Beschreibung und Charakterisierung solcher Strukturen (Bilderkennung)
Anwendung und Eigenschaften
• Rekristallisation als Monolayers auf – Festen Trägern– Wasser/Luft Grenzfläche– Lipidfilmen– Liposomen
• Poren:– Gleich groß– Gleiche Morphologie
3-D Modell der Proteinmassenverteilung
• a) Bacillus sterothermphilus• b) Bacillus sphaericus• c) Bacillus Coagluans
Einheit: 10nm
U.B.Sleytr et al. Angew.Chem.Int.Ed. 1999, 38, 1034
Rekristallisation isolierter S-Layer
In-vitro Selbstorganisation
• a) Kristalline Felder• b) Anlagerung an Zellwand• c) Wasser-Luft Grenzfläche• d) an festen Flächen• e) Lipidfilme
U.B.Sleytr et al. Angew.Chem.Int.Ed. 1999, 38, 1034
Biotechnische AnwendungenFilteraufbau
Ultrafiltermembran Anbinden funktionaler Moleküle
U.B.Sleytr et al. Angew.Chem.Int.Ed. 1999, 38, 1034
Biotechnische AnwendungenStützstrukturen für z.B. Filter
S-Layer als Stützstruktur für funktionelle Lipidmembranen
Zur Stabilisierung von Lipidmembranen
U.B.Sleytr et al. Angew.Chem.Int.Ed. 1999, 38, 1034
Nanotechnische AnwendungenPatternherstellung
• a) Pattern durch Bestrahlung mittels lithographischer Maske und Laser aufbringen
• b) S-Layer von bestrahlten Teilen entfernen
• c) Metallisierung oder • d) Anbindung biologischer
Moleküle an die S-Layer• e) Raserkraftmikroskopie
eines S-Layerpattern auf Siliziumwafer
U.B.Sleytr et al. Angew.Chem.Int.Ed. 1999, 38, 1034
Nanotechnische AnwendungenPatternherstellung
• a) Gold „Verbund“ (lattice); Partikelgröße etwa 4-5 nm.
• b) Schematischer Querschnitt
U.B.Sleytr et al. Angew.Chem.Int.Ed. 1999, 38, 1034
Analyse von nano-Strukturen, S-Layers,
Bilderkennung, 3d Oberflächen
Allgemeine Oberflächen werden durch eine Menge von Oberflächen (Patches) beschrieben, die durch 4 Kurven begrenzt werden.
Parameter u, v P(u,v)=[x(u,v)y(u,v)z(u,v)], wobei 0<=u,v<=1
Erkennungsprobleme
• Kontrast• Gestaltung• Geometrische
Anordnung• Überlappungen
Vorgabe gezielter Such-Strategien
Objekttrennung und Be-wertung z. B. durch Einsatz von Filtern
Template Matching
Einfachste Methode: Bildsubtraktion
Vergleichsbild: ideales Muster
Prüfbild: muss idealem Muster entsprechen
Ergebnis:mögliche Defekte
Feature Matching
Vergleich findet nicht auf Grund von Pixelwerten statt sondern ist merkmalsorientiert.
• Verringerung der Datenmenge
• Zeitersparnis • Effiziente Fehlererkennung• kein Positionierungsproblem • Problem: Merkmalsdefinition
Gaussbilder
Orientierbare Fläche: ausge-zeichnet durch die Möglichkeit der Angabe einer gerichteten Einheitsoberflächennormalen-richtung zu jeden Punkt• Jede Oberfläche deren 2.
Seite nicht erreichbar ist ohne die Grenzfläche zu passieren
• Jede geschlossene Oberfläche ist orientierbar
• Jedes Oberflächenpatch ist orientierbar
.
BildrekonstruktionErstellung des 3d Bildes
durch Modellierung aus
Schichtbildern.
Problem:
keine Information zwischen den
Teilschritten, die Form wird
approximiert, Rekonstruktion
nach Modellwissen.
Ausblick auf die „Nanowelt“Lernende Selbstorganisation in Anlehnung an die Evolution
H.Lipson in Nano-Physics & Bio-Electronics, Elsevier 2002
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