Messung der elektrischen Aktivität biologischer Zellen mit - FG ...
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<strong>Messung</strong> <strong>der</strong> <strong>elektrischen</strong> <strong>Aktivität</strong><br />
<strong>biologischer</strong> <strong>Zellen</strong> <strong>mit</strong><br />
Feld-Effekt-Transistoren<br />
Diplomarbeit<br />
von<br />
Matthias Issing<br />
Technische Universität Berlin<br />
Institut für Mikroelektronik<br />
und Festkörperelektronik<br />
2000
Inhaltsverzeichnis<br />
Inhaltsverzeichnis 1<br />
Einleitung...........................................................................................................4<br />
1. Elektrophysiologische Vorgänge an Zellmembranen ................................6<br />
1.1. Aufbau einer Zellmembran............................................................................................6<br />
1.2. Membranspannung.........................................................................................................8<br />
1.2.1. Ionenaustausch über die Zellmembran ............................................................................... 8<br />
1.2.2. Dynamisches Verhalten <strong>der</strong> Zellmembran ....................................................................... 10<br />
1.3. Elektrisches Membranmodell .....................................................................................14<br />
2. Lokale extrazelluläre Spannungen an <strong>der</strong> Zellmembran.........................18<br />
2.1. Modellbildung...............................................................................................................19<br />
2.2. <strong>Messung</strong>en von lokalen extrazellulären Spannungen ...............................................27<br />
2.2.1. <strong>Messung</strong>en <strong>mit</strong> Elektroden................................................................................................. 27<br />
2.2.2. <strong>Messung</strong>en <strong>mit</strong> Transistoren.............................................................................................. 27<br />
3. <strong>Messung</strong>en <strong>der</strong> lokalen extrazellulären Spannung<br />
<strong>mit</strong> Feld-Effekt-Transistoren .....................................................................28<br />
3.1. Aufbau des Sensor-Chips .............................................................................................28<br />
3.2. Arbeitspunkt <strong>der</strong> Transistoren....................................................................................31<br />
3.3. Kleinsignalersatzschaltbild .........................................................................................32<br />
3.4. Rauschen von Feld-Effekt-Transistoren ....................................................................35<br />
4. Strom-Spannungs-Umsetzer.......................................................................40<br />
4.1. Dynamisches Verhalten des IU-Umsetzers................................................................40<br />
4.2. Rauschen von Operationsverstärkern.........................................................................45<br />
4.3. Verstärkung des Kleinsignalanteils ............................................................................51<br />
4.3.1. Hochpaßfilter....................................................................................................................... 51<br />
4.3.2. Rückkopplung (Wi<strong>der</strong>stand) .............................................................................................. 54<br />
4.3.3. Rückkopplung (Stromquelle) ............................................................................................. 59<br />
4.4. Schaltungsentwurf........................................................................................................60
Inhaltsverzeichnis 2<br />
5. Charakterisierung <strong>der</strong> EOS-Transistoren .................................................65<br />
5.1. Kennlinien und Parameter..........................................................................................65<br />
5.2. Frequenzverhalten........................................................................................................71<br />
5.2.1. Frequenzgangmessung <strong>der</strong> EOS-Transistoren ................................................................. 71<br />
5.2.1.1. Lock-In Verstärker........................................................................................................... 72<br />
5.2.1.2. Ablaufsteuerung <strong>der</strong> Frequenzgangmessung................................................................. 74<br />
5.2.1.3. Programmbeschreibung................................................................................................... 75<br />
5.2.1.4. Messergebnisse.................................................................................................................. 81<br />
6. <strong>Messung</strong> des intrazellulären Potentialverlaufs<br />
an Herzmuskelzellen ...................................................................................84<br />
6.1. Patch-Clamp-Technik..................................................................................................85<br />
6.2. <strong>Messung</strong> von Aktionspotentialen an Herzmuskelzellen ..........................................87<br />
7. <strong>Messung</strong>en von lokalen extrazellulären Spannungen<br />
<strong>mit</strong> EOS-Transistoren .................................................................................92<br />
7.1. Ergebnisse <strong>der</strong> <strong>Messung</strong>en...........................................................................................93<br />
8. Zusammenfassung .....................................................................................102
Anhang<br />
Inhaltsverzeichnis 3<br />
i. Simulationsmodell......................................................................................107<br />
ii. Operationsverstärker.................................................................................111<br />
ii.i. NF-Kenngrößen .........................................................................................................111<br />
ii.i.i. Großsignalbandbreite......................................................................................................... 112<br />
ii.ii. Kleinsignalmodell und Frequenzverhalten ............................................................ 112<br />
ii.iii. Operationsverstärker Typ AD745........................................................................... 114<br />
iii. Schaltungsaufbau .....................................................................................115<br />
iii.i. Multiplexer.................................................................................................................115<br />
iii.ii. IU-Umsetzer..............................................................................................................116<br />
iv. Kennlinien <strong>der</strong> EOS-Transistoren .........................................................118<br />
iv.i. Ausgangskennlinien <strong>mit</strong> UGS=UDS ......................................................................118<br />
iv.ii. Stromsteuerkennlinien.............................................................................................134<br />
v. Präparation von Herzmuskelzellen..........................................................142<br />
v.i. Vorbereitung <strong>der</strong> Präparation ....................................................................................143<br />
v.ii. Durchführung.............................................................................................................145<br />
vi. Patch-Anleitung........................................................................................146<br />
vii. Ergebnisse aus <strong>Messung</strong>en <strong>mit</strong> EOS-Transistoren<br />
an Herzmuskelzellen...............................................................................147<br />
Literaturverzeichnis ......................................................................................162<br />
Danksagung....................................................................................................164
Inhaltsverzeichnis 2<br />
5. Charakterisierung <strong>der</strong> EOS-Transistoren .................................................65<br />
5.1. Kennlinien und Parameter..........................................................................................65<br />
5.2. Frequenzverhalten........................................................................................................71<br />
5.2.1. Frequenzgangmessung <strong>der</strong> EOS-Transistoren ................................................................. 71<br />
5.2.1.1. Lock-In Verstärker........................................................................................................... 72<br />
5.2.1.2. Ablaufsteuerung <strong>der</strong> Frequenzgangmessung................................................................. 74<br />
5.2.1.3. Programmbeschreibung................................................................................................... 75<br />
5.2.1.4. Messergebnisse.................................................................................................................. 81<br />
6. <strong>Messung</strong> des intrazellulären Potentialverlaufs<br />
an Herzmuskelzellen ...................................................................................84<br />
6.1. Patch-Clamp-Technik..................................................................................................85<br />
6.2. <strong>Messung</strong> von Aktionspotentialen an Herzmuskelzellen ..........................................87<br />
7. <strong>Messung</strong>en von lokalen extrazellulären Spannungen<br />
<strong>mit</strong> EOS-Transistoren .................................................................................92<br />
7.1. Ergebnisse <strong>der</strong> <strong>Messung</strong>en...........................................................................................93<br />
8. Zusammenfassung .....................................................................................103
Anhang<br />
Inhaltsverzeichnis 3<br />
i. Simulationsmodell......................................................................................107<br />
ii. Operationsverstärker.................................................................................111<br />
ii.i. NF-Kenngrößen .........................................................................................................111<br />
ii.i.i. Großsignalbandbreite......................................................................................................... 112<br />
ii.ii. Kleinsignalmodell und Frequenzverhalten ............................................................ 112<br />
ii.iii. Operationsverstärker Typ AD745........................................................................... 114<br />
iii. Schaltungsaufbau .....................................................................................115<br />
iii.i. Multiplexer.................................................................................................................115<br />
iii.ii. IU-Umsetzer..............................................................................................................116<br />
iv. Kennlinien <strong>der</strong> EOS-Transistoren .........................................................118<br />
iv.i. Ausgangskennlinien <strong>mit</strong> UGS=UDS ......................................................................118<br />
iv.ii. Stromsteuerkennlinien.............................................................................................134<br />
v. Präparation von Herzmuskelzellen..........................................................142<br />
v.i. Vorbereitung <strong>der</strong> Präparation ....................................................................................143<br />
v.ii. Durchführung.............................................................................................................145<br />
vi. Patch-Anleitung........................................................................................146<br />
vii. Ergebnisse aus <strong>Messung</strong>en <strong>mit</strong> EOS-Transistoren<br />
an Herzmuskelzellen...............................................................................147<br />
Literaturverzeichnis ......................................................................................162<br />
Danksagung....................................................................................................164
Einleitung<br />
Bei allen lebenden <strong>Zellen</strong> liegt das Zellinnere auf einem niedrigeren <strong>elektrischen</strong><br />
Potential als <strong>der</strong> Raum, <strong>der</strong> die <strong>Zellen</strong> umgibt. Die Ursache dafür ist eine unterschiedliche<br />
Ionenverteilung zwischen <strong>der</strong> intrazellulären und extrazellulären Flüssigkeit.<br />
Transportprozesse über Ionen-Kanäle, die in <strong>der</strong> Zellmembran eingebettet<br />
sind, halten den Konzentrationsunterschied aufrecht. Nervenzellen und Muskelzellen<br />
haben die Beson<strong>der</strong>heit, daß es bei Reizung zu einer kurzzeitigen Än<strong>der</strong>ung <strong>der</strong><br />
Ionenkonzentration innerhalb <strong>der</strong> <strong>Zellen</strong> kommt und sich da<strong>mit</strong> auch das elektrische<br />
Potential in den <strong>Zellen</strong> än<strong>der</strong>t. Der zeitliche Verlauf des intrazellulären Potentials<br />
wird als Aktionspotential bezeichnet. In Nervenzellen stellt es die weitergeleitete<br />
Information dar, in Muskelzellen führt es zu einer Kontraktion.<br />
<strong>Messung</strong>en <strong>der</strong> <strong>elektrischen</strong> <strong>Aktivität</strong> von Nervenzellen ermöglichen es, die Informationsweiterleitung<br />
einzelner Zelle zu untersuchen und Reaktionen <strong>der</strong> <strong>Zellen</strong> auf<br />
eine Än<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> Umgebungsbedingungen (Einwirkung von Medikamenten, elektromagnetischen<br />
Bestrahlungen etc.) zu erkennen.<br />
Die herkömmlichen Methoden zur <strong>Messung</strong> <strong>der</strong> <strong>elektrischen</strong> <strong>Aktivität</strong> einzelner<br />
<strong>Zellen</strong> sind <strong>mit</strong> einem Eingriff in die Zelle verbunden, da direkt das intrazelluläre<br />
Potential gemessen wird. Bei <strong>Messung</strong>en <strong>mit</strong> Patch-Pipetten o<strong>der</strong> Mikroelektroden<br />
wird die Membran <strong>der</strong> Zelle durchbrochen, in die Zelle eingebrachte elektrisch empfindliche<br />
Fluoreszenzfarbstoffe haben auf die Zelle eine toxische Wirkung. Bei allen<br />
bisher etablierten Verfahren sterben die <strong>Zellen</strong> nach kurzer Zeit ab. Aus diesem<br />
Grund sind die Beobachtungen nur über einen kurzen Zeitraum möglich.<br />
Wäre eine elektrische Beobachtung <strong>der</strong> <strong>Zellen</strong> über einen längeren Zeitraum<br />
möglich, könnten die bisherigen Erkenntnisse an Langzeitbeobachtungen überprüft<br />
werden. Langzeituntersuchungen an kultivierten neuronalen Netzen könnten neue<br />
Zusammenhänge über die Informationsverarbeitung von Nervenzellen erkennen<br />
lassen. In diesem Fall wäre es sogar denkbar, gezielt neuronale Netzwerke aufzubauen<br />
und die Kommunikation <strong>der</strong> <strong>Zellen</strong> untereinan<strong>der</strong> zu untersuchen. Letztendlich<br />
würde es den Bau einer Schnittstelle zwischen Mikroelektronik und<br />
Nervensystem ermöglichen.<br />
Seit den 80er Jahren sind Verfahren bekannt, bei denen <strong>mit</strong> Metallelektroden<br />
Spannungsän<strong>der</strong>ungen an <strong>der</strong> Zellembran von außen registriert werden können.<br />
Die Spannungsän<strong>der</strong>ungen stehen in einem Zusammenhang <strong>mit</strong> <strong>der</strong> Än<strong>der</strong>ung des<br />
intrazellulären Potentials. Bei diesen <strong>Messung</strong>en werden die <strong>Zellen</strong> auf planare<br />
Elektroden aufgelegt, so daß die Elektroden und die Zellmembran nur durch einen<br />
dünnen Film einer extrazellulären Lösung voneinan<strong>der</strong> getrennt werden. Da zwischen<br />
den Elektroden und <strong>der</strong> extrazellulären Lösung ein ohmscher Kontakt<br />
besteht, laufen Elektrolyse-Reaktionen ab, bei denen toxische Stoffe entstehen, die<br />
wie<strong>der</strong>um eine Langzeitregistrierung verhin<strong>der</strong>n.<br />
Neben den Elektroden, bei denen zum Elektrolyten ein ohmscher Kontakt besteht,<br />
können rein kapazitiv wirkende Elektroden verwendet werden. Die Elektroden werden<br />
durch eine dünne Isolationsschicht vom Elektrolyten getrennt. Zur Impedanzwandlung<br />
und Verstärkung <strong>der</strong> kapazitiv eingekoppelten Signale un<strong>mit</strong>telbar im<br />
Kontaktbereich <strong>mit</strong> <strong>der</strong> Zelle können <strong>mit</strong> Verfahren <strong>der</strong> Halbleiter-Technologie<br />
Anordnungen hergestellt werden, bei denen direkt unterhalb <strong>der</strong> Zelle Transistoren<br />
in die Oberfläche integriert sind. P. Fromherz vom MPI Martinsried/München konnte<br />
erfolgreich <strong>mit</strong> solchen Feld-Effekt-Transistoren (Electrolyte-Oxide-Semiconductor-<br />
Transistoren) extrazelluläre Spannungen an Blutegelneuronen messen. Bei seinen<br />
<strong>Messung</strong>en waren die Signale erst nach einer Mittelwertbildung über mehrere <strong>Messung</strong>en<br />
erkennbar, da sie ohne Mittlung im Verhältnis zum Rauschen <strong>der</strong> Meßanordnung<br />
zu klein sind.<br />
4
Zur Verkleinerung des Rauschanteils wurden von T. Kind an <strong>der</strong> TU-Berlin im<br />
Rahmen seiner Promotion Bipolar-Transistoren entwickelt, bei denen auf einer<br />
extrinsischen Basis eine kapazitive Elektrode aufgebracht ist. T. Kind führt <strong>mit</strong> diesen<br />
Transistoren <strong>Messung</strong>en an isolierten Herzmuskelzellen von Ratten durch,<br />
konnte bis jetzt aber noch keine Kopplung zwischen Transistor und Zelle nachweisen.<br />
Das Ziel dieser Arbeit ist es, <strong>mit</strong> Feld-Effekt-Transistoren extrazelluläre Spannungen<br />
an isolierten Herzmuskelzellen von Ratten beim Ablauf von Aktionspotentialen<br />
zu messen. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit soll eine Aussage getroffen werden,<br />
inwieweit <strong>der</strong>artige <strong>Messung</strong>en an isolierten Herzmuskelzellen überhaupt möglich<br />
sind. Außerdem sollen Vergleichswerte für die <strong>Messung</strong>en <strong>mit</strong> Bipolar-Transistoren<br />
zur Verfügung gestellt werden.<br />
Für die Versuche werden Feld-Effekt-Transistoren verwendet, die in <strong>der</strong> Halbleiter-Technologie<br />
<strong>der</strong> TU-Berlin hergestellt wurden und die auch von P. Fromherz<br />
eingesetzt werden.<br />
In Kapitel 1 werden die Grundlagen <strong>der</strong> elektrophysiologischen Vorgänge an Zellmembranen<br />
dargestellt und es wird das elektrische Membranmodell von Hudgkin<br />
und Huxley eingeführt. Ein Modell zur Erklärung <strong>der</strong> lokalen extrazellulären Spannungen,<br />
die in einem Spalt zwischen einer Zelle und einer Oberfläche gemessen<br />
werden können, wird in Kapitel 2 vorgestellt. Simulationsergebnisse aus diesem<br />
Modell befinden sind am Ende des 2. Kapitels.<br />
Die Feld-Effekt-Transistoren, die für die <strong>Messung</strong>en verwendet werden, sind auf<br />
einem Sensor-Chip <strong>mit</strong> dem Namen „Cultus“ integriert. In Kapitel 3 werden <strong>der</strong><br />
Arbeitspunkt, das Kleinsignalersatzschaltbild und die Ursachen des Rauschens <strong>der</strong><br />
Transistoren diskutiert.<br />
Für die <strong>Messung</strong>en wird ein rauscharmer Strom-Spannungs-Umsetzer benötigt,<br />
<strong>der</strong> den Kleinsignalanteil vom Arbeitspunktstrom <strong>der</strong> Transistoren trennt, verstärkt<br />
und in eine Spannung umsetzt. Bei den <strong>Messung</strong>en wird nur einer von 64 Transistoren<br />
auf dem Cultus-Chip betrieben. Für das Umschalten zwischen den Transistoren<br />
ist ein Multiplexer notwendig.<br />
Im Rahmen dieser Arbeit wurde speziell für diese <strong>Messung</strong>en ein Strom-Spannungs-Umsetzer<br />
und ein Multiplexer entwickelt, <strong>der</strong> in Kapitel 4 beschrieben ist. Es<br />
werden in diesem Kapitel das dynamische Verhalten und die Rauscheigenschaften<br />
des Strom-Spannungs-Umsetzers untersucht und verschiedene Schaltungsvarianten<br />
gegenübergestellt.<br />
Das Kapitel 5 beinhaltet sämtliche Kennlinien und Parameter <strong>der</strong> EOS-Transistoren<br />
des „Cultus-Chips“, die für die Auswertung <strong>der</strong> Meßergebnisse notwendig sind.<br />
Zur Untersuchung des Frequenzverhaltens <strong>der</strong> Transistoren wurden Frequenzgangmessungen<br />
durchgeführt.<br />
Nach <strong>der</strong> Präparation <strong>der</strong> Herzmuskelzellen aus ausgewachsenen Ratten, die im<br />
Anhang vi beschrieben ist, werden die <strong>Zellen</strong> auf den Chip aufgebracht und eine<br />
Zelle über einem Transistor positioniert. Zur periodischen Erregung <strong>der</strong> Zelle und<br />
zur Kontrolle des intrazellulären Potentials werden die <strong>Zellen</strong> <strong>mit</strong> <strong>der</strong> Patch-Clamp-<br />
Technik kontaktiert. Die Vorgehensweise bei <strong>der</strong> Patch-Clamp-Technik und Meßergebnisse<br />
des Verlaufs <strong>der</strong> Aktionspotentiale an Herzmuskelzellen werden in Kapitel<br />
6 beschrieben.<br />
In Kapitel 7 werden schließlich die <strong>Messung</strong>en von extrazellulären Spannungen<br />
an isolierten Herzmuskelzellen beim Ablauf von Aktionspotentialen erläutert und es<br />
werden die Ergebnisse <strong>der</strong> <strong>Messung</strong>en vorgestellt.<br />
Anschließend werden in Kapitel 8 die Ergebnisse zusammengefaßt und es wird<br />
ein Ausblick auf künftige Forschungsarbeiten gegeben.<br />
5
Elektrophysiologische Vorgänge an Zellmembranen 6<br />
Aufbau einer Zellmembran<br />
1. Elektrophysiologische Vorgänge an Zellmembranen<br />
Bei allen tierischen <strong>Zellen</strong> liegt das Zellinnere auf einem niedrigeren <strong>elektrischen</strong><br />
Potential als <strong>der</strong> extrazelluläre Raum, <strong>der</strong> die Zelle umgibt. Beide Bereiche werden<br />
durch eine Zellmembran voneinan<strong>der</strong> abgegrenzt, über die die Spannungsdifferenz<br />
abfällt. Ursache für die unterschiedlichen Potentiale sind unterschiedliche Ionenkonzentrationen<br />
innerhalb und außerhalb <strong>der</strong> Zelle, die durch Prozesse in <strong>der</strong> Zellmembran<br />
gesteuert werden. Nervenzellen und Muskelzellen weisen die<br />
Beson<strong>der</strong>heit auf, daß sich bei Reizung <strong>der</strong> <strong>Zellen</strong> die Ionenleitfähigkeit <strong>der</strong> Zellmembran<br />
än<strong>der</strong>n kann, so daß sich die Membranspannung nach einem zelltypischen<br />
Verlauf kurzzeitig abbaut und sogar umkehrt. Diese Potentialän<strong>der</strong>ungen in<br />
den <strong>Zellen</strong> werden als Aktionspotentiale bezeichnet. In Nervenzellen stellen die<br />
Aktionspotentiale die weitergeleiteten Signale dar, in Muskelzellen führen sie zu<br />
einer Kontraktion.<br />
In diesem Kapitel wird <strong>der</strong> Aufbau einer Zellmembran skizziert und die elektrophysiologischen<br />
Austauschprozesse und Gleichgewichtszustände zwischen dem intrazellulären<br />
und extrazellulären Raum dargestellt. Es wird das elektrische<br />
Membranmodell von Hudgkin und Huxley vorgestellt und <strong>mit</strong> diesem Modell eine<br />
Simulation des intrazellulären Potentialverlaufs eines Neurons durchgeführt.<br />
1.1.Aufbau einer Zellmembran<br />
Alle tierischen <strong>Zellen</strong> werden von einer Zellmembran vollständig umschlossen,<br />
die aus einer Doppelschicht von Lipiden, hauptsächlich Phospholipiden besteht.<br />
Diese Moleküle bestehen aus einer hydrophilen Kopfgruppe, an die sich hydrophobe<br />
Kohlenwasserstoffketten anschließen. In einer wässrigen Lösung ordnen<br />
sich die Lipide spontan in einer 4-5nm dicken Doppelschicht an, wobei die hydrophilen<br />
Kopfgruppen nach außen zeigen und die hydrophoben Kohlenwasserstoffketten<br />
im Inneren eine hydropobe Phase bilden. Die Lipiddoppelschicht <strong>der</strong><br />
Membran ist für viele Stoffe, vor allem für geladene Teilchen, ein Diffusionshin<strong>der</strong>nis;<br />
ihr ohmscher Wi<strong>der</strong>stand ist sehr groß. Der spezifische Wi<strong>der</strong>stand liegt bei<br />
10 2 bis 10 5 Ωcm 2 , dies entspricht einer spezifischen Leitfähigkeit von g M = 0,01 bis<br />
10mS/cm 2 . Die flächenspezifische Kapazität <strong>der</strong> Membran beträgt c M = 0,5 bis<br />
1,3µF/cm 2 . Die Durchbruchspannung liegt bei über 150mV. Stoffe, die sich in Lipiden<br />
lösen, können die Membran dagegen sehr gut passieren.<br />
Zwischen den Phospholipiden sind regelmäßig Cholesterinmoleküle angeordnet,<br />
die eine stabilisierende Wirkung auf die Membran haben. Unregelmäßig sind in die<br />
Membran als Funktionsträger Glykolipide und Proteine eingebettet. Es ist zwischen<br />
Proteinen zu unterscheiden, die sich von <strong>der</strong> Außen- zur Innenseite durch die<br />
ganze Membran erstrecken und an<strong>der</strong>en Proteinen, die nur in <strong>der</strong> äußeren o<strong>der</strong> in<br />
<strong>der</strong> inneren Schicht verankert sind. Die Proteine können <strong>mit</strong> intra- o<strong>der</strong> extrazellulären<br />
Substanzen reagieren. Für die Funktion von Nervenzellen und Muskelzellen<br />
sind die Kanalproteine beson<strong>der</strong>s wichtig. Durch sie können Ionen durch die Membran<br />
hindurch diffundieren.
Austauschprozesse<br />
Elektrophysiologische Vorgänge an Zellmembranen 7<br />
Aufbau einer Zellmembran<br />
Abb. 1: Aufbau einer Zellmembran. Bei den Proteinen, die die Phospholipiddoppelschicht<br />
ganz durchqueren, kann es sich um Kanalproteine handeln.<br />
[1]<br />
Das Zellvolumen besteht jeweils etwa zur Hälfte aus intrazellulären Organellen<br />
und zur an<strong>der</strong>en Hälfte aus Cytosol. Die Organellen (z.B. Zellkern, Mitochondrien,<br />
Lysosomen) werden durch Räume gebildet, die durch Membranen umschlossen<br />
sind und spezielle Zellfunktionen ausführen. Das Cytoplasma zwischen den Organellen<br />
wird durch ein Cytoskelett strukturiert. Es stabilisiert die Form <strong>der</strong> Zelle,<br />
fixiert die Lage <strong>der</strong> Organellen und ist Grundlage für Formän<strong>der</strong>ungen und Bewegung.<br />
Das Cytosol ist eine wässrige Lösung und füllt das restliche Zellvolumen aus.<br />
In dieser Phase sind die in <strong>der</strong> folgenden Betrachtung wichtigen anorganischen und<br />
organischen Ionen gelöst.<br />
Die Ionen des Cytosols (intrazellulär) stehen über die Zellmembran im Austausch<br />
<strong>mit</strong> <strong>der</strong> wässrigen Lösung (extrazellulär), die die Zelle umgibt. Die Ionenkonzentrationen<br />
befinden sich im Ruhezustand <strong>der</strong> Zelle in einem dynamischen Gleichgewicht.<br />
Der Ionenaustausch über die Zellmembran kann überwiegend nur durch<br />
passiven Ionentransport über Kanal-Proteine o<strong>der</strong> durch aktive Transportmechanismen<br />
von Pump-Proteinen erfolgen. Die Ionenkanäle sind nur spezifisch für<br />
bestimmte Ionensorten durchlässig. Die Doppellipidschicht selbst ist für Ionen fast<br />
vollständig undurchlässig. Da die im Cytosol gelösten großen intrazellulären Anionen<br />
die Membran nicht passieren können und für sie keine Kanal-Proteine vorhanden<br />
sind, sind sie ein fester Bestandteil im Zellinneren.<br />
Tab. 1: Intra- und extrazelluläre Ionenkonzentrationen einer Muskelzelle eines<br />
Warmblüters. Es stellt sich ein Ruhepotential von V 0 = -90mV ein. [1]<br />
Intrazellulär Extrazellulär<br />
Na + 12 mmol/l Na + 145 mmol/l<br />
K + 155 mmol/l K + 4 mmol/l<br />
Ca 2+ 10 -8 -10 -7 mmol/l Ca 2+ 2 mmol/l<br />
Cl - 4 mmol/l Cl - 120 mmol/l<br />
HCO 3 - 8 mmol/l HCO 3 - 27 mmol/l<br />
A - 155 mmol/l an<strong>der</strong>e Kationen 5 mmol/l<br />
Die Tabelle (Tab. 1) enthält die typischen Ionenkonzentrationen <strong>der</strong> intra- und<br />
extrazellulären Phase einer Muskelzelle. In <strong>der</strong> extrazellulären Lösung ist das häufigste<br />
Kation Na + , die Konzentration im Inneren <strong>der</strong> Zelle ist mehr als 10mal geringer.<br />
Genau umgekehrt stellt sich im dynamischen Gleichgewicht die Konzentration
1.2.Membranspannung<br />
Gibbs-Donnan-<br />
Verteilung<br />
Elektrophysiologische Vorgänge an Zellmembranen 8<br />
Membranspannung<br />
<strong>der</strong> K + -Ionen ein. Die Konzentration in <strong>der</strong> extrazellulären Lösung ist mehr als<br />
10mal geringer als die Konzentration in <strong>der</strong> intrazellulären Lösung. Den größten<br />
Konzentrationsgradienten über die Zellmembran haben die Ca 2+ -Ionen. Die intrazelluläre<br />
Konzentration ist mehr als 10 000mal kleiner als die extrazelluläre.<br />
An <strong>der</strong> Membran von tierischen <strong>Zellen</strong> kann eine elektrische Potentialdifferenz<br />
gemessen werden. Das Zellinnere liegt auf einem um 50 bis 100mV negativerem<br />
Potential als die extrazelluläre Lösung. Die Membranspannung 1 entsteht durch eine<br />
ungleiche Ionenverteilung zwischen <strong>der</strong> extra- und intrazellulären Flüssigkeit.<br />
Im Zellinneren befinden sich große anionische organische Moleküle, die die Zelle<br />
nicht verlassen können. Zur Ladungskompensation müssen ihnen Kationen gegenüberstehen,<br />
so daß sich die diffundierenden Ionen passiv ungleich verteilen<br />
(Gibbs-Donnan-Verteilung [3] Gl.(1) und Gl.(2) 2 ). Die Verteilung <strong>der</strong> diffundierenden<br />
Ionen untereinan<strong>der</strong> wird durch die Membrandurchlässigkeit bestimmt.<br />
K + Na +<br />
[ + ]in K + Na +<br />
> +<br />
Cl -<br />
[ ]in Cl -<br />
<<br />
[ ]ex<br />
[ ]ex<br />
Neben dem passiven Ionentransport, <strong>der</strong> auf konzentrations- und potentailgetriebener<br />
Diffusion beruht, werden durch Pump-Proteine, Ionen entgegen dem Konzentrationsgradienten<br />
durch die Zellmembran transportiert. Der wichtigste aktive<br />
Transportprozeß ist die Na-K-Pumpe, die Na + aus <strong>der</strong> Zelle heraus und K + in die<br />
Zelle hinein transportiert. Sie stellt da<strong>mit</strong> intrazellulär eine niedrige Na + -Konzentration<br />
und extrazellulär eine hohe K + -Konzentration sicher.<br />
Zwischen den Diffusions- und den an<strong>der</strong>en Transportmechanismen besteht ein<br />
dyamisches Gleichgewicht, so daß sich eine Ruhemembranspannung <strong>mit</strong> einer konstanten<br />
intrazellulären Ionenkonzentration einstellt.<br />
1.2.1. Ionenaustausch über die Zellmembran<br />
Bei ungeladenen Teilchen wird die Diffusion durch einen Konzentrationsgradienten<br />
angetrieben. Die Teilchenflußdichte (Flux) in mol/(m 2 i<br />
jd /s) für die Ionensorte i<br />
ist dabei proportional dem räumlichen Gefälle <strong>der</strong> Teilchendichte C .<br />
i ( r)<br />
i<br />
jd =<br />
D i gradC i – ( r)<br />
Für geladene Teilchen besteht zwischen dem Diffusionskoeffizienten und <strong>der</strong><br />
Beweglichkeit μ durch die Zellmembran nach <strong>der</strong> Einsteinbeziehung folgen<strong>der</strong><br />
Zusammenhang:<br />
i<br />
D i μiRT z i =<br />
-----------<br />
F<br />
1 Die Potentialdifferenz zwischen extra- und intrazellulärer Flüssigkeit wird in <strong>der</strong> Literatur als Membranpotential<br />
bezeichnet. Das Zellinnere ist im Ruhezustand immer negativ.<br />
2 in: intrazelluläre Konzentration, ex: extrazelluläre Konzentration<br />
D i<br />
(1)<br />
(2)<br />
(3)<br />
(4)
Elektrophysiologische Vorgänge an Zellmembranen 9<br />
Membranspannung<br />
Dabei ist R die Gaskonstante, T die absolute Temperatur, zi die Wertigkeit des<br />
Ions und F die Faraday-Konstante. Die Durchlässigkeit <strong>der</strong> Membran im Ruhezustand<br />
wird auch durch die Permeabilität P Gl.(5) angegeben, wobei d als Dicke <strong>der</strong><br />
Membran eingeht. Die Diffusion von Ionen durch die Membran kann nur an Transportproteinen<br />
(Kanal-Proteinen) erfolgen, da die Doppellipidschicht für Ionen<br />
undurchlässig ist.<br />
i<br />
Nernst-Potential Bei ungeladenen Teilchen führt die Diffusion zu einem Konzentrationsausgleich<br />
über das gesamte Volumen. Die Diffusion von geladenen Teilchen infolge eines<br />
Konzentrationsgefälles erzeugt dagegen durch Ladungsverschiebung ein elektrisches<br />
Feld, daß dem Diffusionsvorgang entgegenwirkt. Es stellt sich ein dynamischer<br />
Gleichgewichtszustand ein, in dem kein Netto-Flux mehr erfolgt. Die<br />
Membranspannung im Gleichgewichtszustand für eine Ionensorte i wird als Gleichgewichtspotential<br />
o<strong>der</strong> Nernst-Potential V o i bezeichnet.<br />
Goldmann-Gleichung<br />
aktive Transportprozesse<br />
P<br />
V o i<br />
i Di<br />
= ----d<br />
RT [ ci] ex<br />
= ------ln------------- ziF [ ci] in<br />
Die extrazelluläre Ionenkonzentration entspricht [c i ] ex und die intrazelluläre Konzentration<br />
[c i ] in . Für die Kaliumionen bedeutet dies folgendes: Die hohe intrazelluläre<br />
Kaliumkonzentration führt zu einer Diffusionsbewegung aus <strong>der</strong> Zelle heraus,<br />
wobei positiv geladene Ionen die Zelle verlassen. Das Zellinnere lädt sich gegenüber<br />
dem umgebenden Raum negativ auf, so daß sich ein elektrisches Feld ausbildet,<br />
das <strong>der</strong> Diffusionsbewegung entgegenwirkt. Es stellt sich ein thermodynamischer<br />
Gleichgewichtszustand ein.<br />
Die Nernst-Gleichung ermöglicht die Berechnung <strong>der</strong> Membranspannung nur für<br />
eine Ionensorte. Sind verschiedene Ionen beteiligt, muß zur Berechnung des Membranpotentials<br />
berücksichtigt werden, daß die unterschiedlichen Ionen die Membran<br />
unterschiedlich gut passieren können. Die Durchlässigkeit <strong>der</strong> Membran im Ruhezustand<br />
für unterschiedliche Ionen wird durch die Permeabilität Gl.(5) beschrieben.<br />
Die Membranspannung, die sich bei gleichzeitiger Diffusion von K + - , Na + - und Cl -<br />
-Ionen einstellt, kann nach <strong>der</strong> Goldmann-Gleichung Gl.(7) berechnet werden.<br />
Dabei wird die Annahme getroffen, daß innerhalb <strong>der</strong> Membran die Spannung linear<br />
abfällt und sie für die drei Ionensorten die Permeabilität PK , PNa und PCl hat [3].<br />
V<br />
RT<br />
+ + [ ]in<br />
0 ------<br />
F<br />
Pk K +<br />
[ ]in PNa Na +<br />
[ ]in PCl Cl -<br />
=<br />
⋅ ln------------------------------------------------------------------------------------------<br />
+ +<br />
Pk K +<br />
[ ]ex PNa Na +<br />
[ ]ex PCl Cl -<br />
[ ]ex<br />
Das Mischpotential o<strong>der</strong> Ruhepotential, das sich einstellt, führt zu keinem thermodynamischen<br />
Gleichgewichtszustand. Ist die Permeabilität <strong>der</strong> Membran für Kaliumionen<br />
größer als für Natriumionen und gelten die Ionenkonzentrationen von Tab.<br />
1, fließen beim Ruhepotential dauernd K + -Ionen durch die Membran nach außen<br />
und eine gleichgroße Zahl von Na + -Ionen von außen nach innen. Der Ladungsaustausch<br />
ist so<strong>mit</strong> im Gleichgewicht; die Konzentrationsgradienten für K + und Na +<br />
müßten aber infolge des Teilchenflusses langsam verschwinden. Die ursprüngliche<br />
Ionenkonzentration läßt sich auf Dauer nur aufrecht erhalten, wenn gegen den Konzentrationsgradienten<br />
K + ins Zellinnere und in gleicher Menge Na + nach außen<br />
transportiert werden. Einen solcher Transportprozeß kann im Gegensatz zu den<br />
passiven Diffusionsprozessen nur durch einen aktiven Prozeß erfolgen.<br />
Bei aktiven Transportprozessen transportieren Membranproteine Ionen durch Aufwand<br />
von Energie über die Membran entgegen dem Konzentrationsgradienten o<strong>der</strong><br />
(5)<br />
(6)<br />
(7)
Dichte <strong>der</strong> Kanal-<br />
und Pumpmoleküle<br />
Elektrophysiologische Vorgänge an Zellmembranen 10<br />
Membranspannung<br />
<strong>der</strong> <strong>elektrischen</strong> Feldstärke. Der wichtigste aktive Transportprozeß ist die Na-K-<br />
Pumpe, die pro Pumpzyklus netto 3 Na + -Ionen aus <strong>der</strong> Zelle entfernt und 2 K + -<br />
Ionen in die Zelle hinein transportiert. Da<strong>mit</strong> ist dieser Vorgang elektrogen, es wird<br />
pro Zyklus eine positive Ladung aus <strong>der</strong> Zelle entfernt und das Membranpotential<br />
wird etwas negativer als es sich aus <strong>der</strong> passiven Ionenverteilung (Goldmann-Gleichung)<br />
ergibt. Die <strong>Aktivität</strong> <strong>der</strong> Na-K-Pumpe wird durch die intrazelluläre Na + -Konzentration<br />
reguliert. Die Pumprate verlangsamt sich <strong>mit</strong> abnehmen<strong>der</strong> Na + -<br />
Konzentration in <strong>der</strong> Zelle, bis sich ein Gleichgewicht zwischen Pumprate und Na + -<br />
Einstrom ausbildet. In <strong>der</strong> Tab. 2 sind die typischen Ionenkonzentrationen einer<br />
Muskelzelle im intra- und extrazellulären Raum, sowie die Gleichgewichtspotentiale<br />
<strong>der</strong> einzelnen Ionen nach <strong>der</strong> Nernst-Gleichung angegeben. Infolge des aktiven<br />
Transportprozesses über die Zellmembran stellt sich ein Gleichgewichtspotential<br />
von -90mV ein, das um 10mV negativer ist als <strong>der</strong> Wert, <strong>der</strong> sich aus <strong>der</strong> Goldmann-Gleichung<br />
ergibt.<br />
Tab. 2: Typische Ionenkonzentrationen innerhalb und außerhalb einer Muskelzelle<br />
eines Warmblüters <strong>mit</strong> den Gleichgewichtspotential <strong>der</strong> einzelnen<br />
Ionen (Nernst-Potentiale). Das tatsächliche Membranpotential beträgt V 0<br />
= -90 mV (Goldmann-Gleichung). [1]<br />
Da<strong>mit</strong> im Ruhezustand <strong>der</strong> Zelle die Konzentrationsgradienten von Kalium- und<br />
Natriumionen über die Zellmembran aufrechterhalten werden können, muß die<br />
durch passive Membranströme transportierte Ionenmenge <strong>der</strong> aktiv transportierten<br />
Menge entsprechen. Durch ein Kanalprotein für Natrium- o<strong>der</strong> Kaliumionen fließen<br />
bei je<strong>der</strong> Öffnung, die weniger als eine Millisekunde andauert, mehrere zehntausend<br />
Ionen. Selbst im Ruhezustand <strong>der</strong> Membran passieren ca. 10 5 Ionen pro<br />
Sekunde ein Kanalprotein. Da ein Pump-Protein im Ruhezustand nur etwa 100<br />
Ionen pro Sekunde entgegen dem Konzentrationsgradienten über die Membran<br />
transportiert, müssen ca. 1000mal mehr Pump-Proteine in <strong>der</strong> Membran eingebettet<br />
sein als Membrankanalproteine. Auf 1µm 2 <strong>der</strong> Membran liegen im Durchschnitt bei<br />
Ruhepotential ein Kalium- und ein Natrium-Kanal in geöffnetem Zustand vor, so<br />
daß auf <strong>der</strong> gleichen Fläche etwa 1000mal mehr Pump-Proteine liegen müssen.<br />
1.2.2. Dynamisches Verhalten <strong>der</strong> Zellmembran<br />
Membranleitfähigkeit<br />
Jede Abweichung des Membranpotentials von dem thermodynamischen Gleichgewichtspotential<br />
einer Ionensorte (Nernst-Potential) führt zu einer Nettoverschiebung<br />
von Ionen in eine Richtung und so<strong>mit</strong> zu einem Strom durch die Membran. Das Verhältnis<br />
zwischen flächenspezifischem Ionenstrom und Membranspannung wird als<br />
flächenspezifische Membranleitfähigkeit g i <strong>der</strong> Ionensorte i bezeichnet.<br />
g i<br />
j i<br />
=<br />
-------<br />
V M<br />
Ionen Intrazellulär Extrazellulär Nernst-Potential<br />
Na +<br />
K +<br />
Cl -<br />
12 mmol/l 145 mmol/l + 66 mV<br />
155 mmol/l 4 mmol/l -97 mV<br />
4 mmol/l 120 mmol/l - 90 mV<br />
Bei Hyperpolarisation <strong>der</strong> Membran (Membranpotential kleiner Ruhepotential)<br />
liegt ein lineares Verhältnis zwischen Ionenstrom und Membranspannung vor. Die<br />
Membranleitfähigkeit ist weitgehend spannungsunabhängig. Im Bereich <strong>der</strong> Depolarisation<br />
zeigt die Membran dagegen ein nichtlineares Verhalten, die Leitfähigkeit<br />
<strong>der</strong> Ionenkanäle ist stark spannungsabhängig. Abb. 2 zeigt qualitativ den spezifi-<br />
(8)
Elektrophysiologische Vorgänge an Zellmembranen 11<br />
Membranspannung<br />
schen Ionenstrom für Kalium- und Natriumionen durch die Zellmembran in Abhängigkeit<br />
<strong>der</strong> Membranspannung. In <strong>der</strong> Membran sind für Kalium- und Natrium<br />
selektiv leitfähige Ionenkanäle angeordnet. Durch Depolarisation werden die Na +<br />
und K + spezifischen Kanäle geöffnet und durch Hyperpolarisation wie<strong>der</strong> verschlossen.<br />
Die Aktivierung <strong>der</strong> K + -Kanäle erfolgt etwa um eine Größenordnung langsamer<br />
als die <strong>der</strong> Na + -Kanäle. Dauert die Depolarisation jedoch länger als 1/10ms an, so<br />
schließen sich die Na + Kanäle wie<strong>der</strong>. Die Inaktivierung <strong>der</strong> Na + -Kanäle erfolgt<br />
über einen von <strong>der</strong> Öffnung unabhängigen und langsamer verlaufenden Prozeß.<br />
Der Zustand <strong>der</strong> Inaktivierung läßt sich durch Hyperpolarisation nicht sofort rückgängig<br />
machen, erst nach Ablauf einer Relaxationszeit können die Kanäle durch<br />
Depolarisation erneut aktiviert werden. Bei den K + -Kanälen fehlt ein vergleichbarer<br />
Prozeß <strong>der</strong> Inaktivierung, erst nach einer sehr viel längeren Zeit schließen sich<br />
auch die K + -Kanäle, die Zeitkonstante ist aber so groß, daß sie in <strong>der</strong> Regel keine<br />
Rolle spielt.<br />
Abb. 2: Abhängigkeit <strong>der</strong> Leitfähigkeit von <strong>der</strong> Membranspannung. Depolarisation<br />
ist auf <strong>der</strong> Abszisse nach rechts, Hyperpolarisation nach links<br />
aufgetragen. Einströme (positive Ionen von außen nach innen) sind auf<br />
<strong>der</strong> Ordinate nach unten, Ausströme nach oben aufgetragen. (Allgemeine<br />
Neurophysiologie) [2]<br />
Aktionspotential Die Menbranspannung kann von außen über einen Stromfluß durch eine Mikroelektrode<br />
(Kap. 6.1) beeinflußt werden. Wird das intrazelluläre Potential einer Muskelzelle<br />
o<strong>der</strong> einer Nervenzelle in Richtung positives Potential angehoben<br />
(Depolar-isation) und dabei eine Reizschwelle überschritten, wird in <strong>der</strong> Zelle ein<br />
Aktionspotential ausgelöst, das im Nerv das weitergeleitete Signal darstellt und am<br />
Muskel zur Kontraktion führt. Es findet dabei eine Umpolarisation <strong>der</strong> Membran <strong>mit</strong><br />
einer sich anschließenden langsamen Repolarisationsphase auf das ursprüngliche<br />
Ruhepotential statt. Den Verlauf eines Aktionspotentials zeigen die Abb. 3 und Abb.<br />
4.
Intrazelluläre<br />
Konzentrationsän<strong>der</strong>ung<br />
Abb. 3: Zeitverlauf eines Aktionspotentials [1]<br />
Elektrophysiologische Vorgänge an Zellmembranen 12<br />
Membranspannung<br />
Die Depolarisation über die Reizschwelle verursacht die Öffnung <strong>der</strong> Natriumkanäle<br />
und da<strong>mit</strong> einen starken Einstrom von Natriumionen. Dies führt zu einem steilen<br />
Anstieg des Potentials in Richtung auf das Na + -Ruhepotential, bis sich die<br />
Kaliumkanäle verzögert öffnen und sich die Natriumkanäle durch Inaktivierung wie<strong>der</strong><br />
schließen. Der Kaliumeinstrom treibt die Membranspannung wie<strong>der</strong> zum Ruhepotential<br />
zurück (Repolarisation). Wegen <strong>der</strong> noch wirksamen Erhöhung <strong>der</strong><br />
Leitfähigkeit <strong>der</strong> Kaliumkanäle g K kann es anschließend zu einer Hyperpolarisation<br />
kommen. Während einer sich anschließenden Refraktärzeit ist die Zelle für etwa 1<br />
bis 2ms nicht erregbar (absolute Refraktärzeit). Ihr folgt für etwa 2ms die relative<br />
Refraktärperiode, in <strong>der</strong> nur ein Aktionspotential geringerer Höhe und Anstiegssteilheit<br />
ausgelöst werden kann. Eine überhöhte „Pumpaktivität“ <strong>der</strong> Na-K-Pumpe kann<br />
auch eine Hyperpolarisation verursachen.<br />
Im folgenden soll die intrazelluläre Konzentrationsän<strong>der</strong>ung abgeschätzt werden,<br />
die notwendig ist, um das intrazelluläre Potential um 100mV anzuheben. Geht man<br />
von einer kugelförmigen Zelle <strong>mit</strong> einem Durchmesser von 50µm und einer Membrankapazität<br />
von 1µF/cm 2 aus, besitzt die gesamte Zelle eine Kapazität von etwa<br />
100pF. Zur Än<strong>der</strong>ung des intrazellulären Potentials um 100mV ist dann eine Verschiebung<br />
einer Ladungsmenge von 10 -11 C notwendig. Unter Berücksichtigung <strong>der</strong><br />
Elementarladung entspricht dies etwa 60 10 6 Ionen o<strong>der</strong> 10 -16 mol. Bei einem Zellvolumen<br />
von 65 000 µm 3 kommt es zu einer Konzentrationsän<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> Ionen um<br />
etwa 10 -6 mol/l. Die Kanalströme, die den Ablauf eines Aktionspotentails bewirken,<br />
än<strong>der</strong>n so<strong>mit</strong> die Ionenkonzentration in <strong>der</strong> Zelle nur unwesentlich. Die Wie<strong>der</strong>herstellung<br />
des Konzentrationsgradienten <strong>der</strong> Ionen ist also für ein einzelnes Aktionspotential<br />
unerheblich.
Elektrophysiologische Vorgänge an Zellmembranen 13<br />
Membranspannung<br />
Abb. 4: Aktionspotentiale verschiedener <strong>Zellen</strong> im Warmblütergewebe (schematisch).<br />
Ordinate: intrazelluläres Potential, Abszisse: Zeit nach Beginn<br />
des Aktionspotentials. [1]
1.3.Elektrisches Membranmodell<br />
Modell von Hudgkin<br />
und Huxley<br />
Elektrophysiologische Vorgänge an Zellmembranen 14<br />
Elektrisches Membranmodell<br />
Die <strong>elektrischen</strong> Eigenschaften <strong>der</strong> Zellmembran wurden von Hodgkin und Huxley<br />
[6] beschrieben. Als Grundlage dient das Ersatzschaltbild in Abb. 5 für ein Flächenelement<br />
<strong>der</strong> Zellmenbran. Die Ströme <strong>der</strong> Natrium- und Kaliumionen durch die<br />
Ionenkanäle werden jeweils durch eine Reihenschaltung von einer Spannungsquelle<br />
<strong>mit</strong> einem spannungsabhängigen flächenspezifischen Leitwert g Na bzw. g K<br />
dargestellt. Die Ströme <strong>der</strong> restlichen Ionen werden als Leckstrom zusammengefaßt<br />
und fließen durch einen spannungsunabhängigen flächenspezifischen Wi<strong>der</strong>stand<br />
<strong>mit</strong> dem Leitwert g L . Die Kapazität <strong>der</strong> Zellmembran wird durch eine dazu<br />
parallel geschaltete flächenspezifische Kapazität c M berücksichtigt. Der Stromanteil,<br />
<strong>der</strong> durch den aktiven Ionentransport <strong>der</strong> Pump-Proteine verursacht wird, ist<br />
nicht berücksichtigt.<br />
g k g Na g L<br />
V 0 K V 0 Na V 0 L<br />
Abb. 5: Ersatzschaltbild einer Zelle nach Hodgkin und Huxley<br />
Die Reihenschaltung eines Leitwerts und einer Spannungsquelle zur Modellierung<br />
eines Ionenkanals kann wie folgt begründet werden: Bei einer Membranspannung<br />
V M fließt eine Stromdichte j elek i durch die Membrankanäle für die Ionensorte i <strong>mit</strong><br />
<strong>der</strong> spezifischen Leitfähigkeit g i .<br />
i<br />
jelek i<br />
jdiff i<br />
Entgegen diesem Strom fließt ein Diffusionsstrom jdiff , <strong>der</strong> durch das Konzentrationsgefälle<br />
<strong>der</strong> Ionen über die Membran verursacht und durch die Spannungsquelle<br />
dargestellt wird. Entspricht die Membranspannung dem Nernst-Potential ,<br />
ist <strong>der</strong> Nettostrom über die Membran gleich Null. Durch die Kombination bei<strong>der</strong><br />
Anteile gilt für die Gesamtstromdichte ji i<br />
V0 durch die Ionenkanäle für die Ionensorte i<br />
die Gl.(11). Das Nernst-Potential für die einzelnen Ionensorten wird jeweils durch<br />
die Spannungsquelle dargestellt.<br />
j i<br />
=<br />
g i ⋅ VM Werden alle Ionenkanäle betrachtet, so addieren sich die Stromdichten <strong>der</strong> einzelnen<br />
Ionensorten j i zu einer Gesamtstromdichte j M .<br />
j M<br />
=<br />
g i i<br />
⋅ V0 g i = ( VM – Vo) j i<br />
i<br />
i<br />
∑<br />
∑ g i = =<br />
( VM – Vo) i<br />
i<br />
j M (t)<br />
c M<br />
j C (t)<br />
j G (t)<br />
innen<br />
V M (t)<br />
außen<br />
(9)<br />
(10)<br />
(11)<br />
(12)
Gesamtstromdichte<br />
j G und<br />
Membrankapazität<br />
spezifische Leitfähigkeit<br />
g i = f(V M )<br />
Elektrophysiologische Vorgänge an Zellmembranen 15<br />
Elektrisches Membranmodell<br />
Aus dem Ersatzschaltbild folgt so<strong>mit</strong> für die Gesamtstromdichte j G durch die Zellmembran<br />
unter Berücksichtigung des kapazitiven Stroms die Differentialgleichung<br />
(13).<br />
dVM() t<br />
jG() t cM ----------------- g<br />
dt<br />
Na Na<br />
( VM() t – Vo ) g K K<br />
( VM() t – Vo ) g L L<br />
= ⋅ + + + ( VM() t – Vo )<br />
Bei dieser Betrachtungsweise ist es wichtig zu beachten, daß bei einer abgeschlossenen<br />
Zelle, <strong>der</strong> von außen kein Strom über eine Patch-Pipette (Kap. 6.1)<br />
zugeführt wird, <strong>der</strong> Gesamtstrom zwischen intrazellulärem und extrazellulärem<br />
Raum immer Null ist 3 . Der Gesamtstrom durch die Ionenkanäle j M dient vollständig<br />
zur Ladung <strong>der</strong> Membrankapazität. Än<strong>der</strong>t sich in <strong>der</strong> Zelle bei Ablauf eines Aktionspotentials<br />
die Membranspannung infolge einer Än<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> Leitfähigkeit <strong>der</strong><br />
Ionenkanäle, dient <strong>der</strong> Gesamtstrom durch die Ionenkanäle j M nur zur Ladung <strong>der</strong><br />
Membrankapazität c M . Die Gesamtstromdichte j G ist unter diesen Voraussetzungen<br />
immer Null. Für eine abgeschlossene Zelle, in die kein Strom injiziert wird, gilt<br />
Gl.(14).<br />
dVM() t<br />
jG() t cM ----------------- g<br />
dt<br />
Na Na<br />
( VM() t – Vo ) g K K<br />
( VM() t – Vo ) g L L<br />
= ⋅ + + + ( VM() t – Vo ) = 0<br />
Die spezifische Leitfähigkeit g i <strong>der</strong> Ionenkanäle ist wie<strong>der</strong>um eine nichtlineare<br />
Funktion <strong>der</strong> Membranspannung. Die Abhängigkeit wurde von Hodgkin und Huxley<br />
aus <strong>Messung</strong>en am Riesenaxon des Tintenfischs für die Natrium- und Kalium-<br />
Kanäle bestimmt und <strong>mit</strong> Ratengleichungen beschrieben, so daß <strong>der</strong> Ablauf eines<br />
Aktionspotentials nachgebildet werden konnte.<br />
g K ( VM) = g0 ⋅<br />
g Na ( VM) = g0 g L<br />
=<br />
L<br />
go K 4<br />
n VM, t<br />
( )<br />
Na 3<br />
⋅ m VM, t<br />
( ) ⋅ hV ( M, t)<br />
Die Faktoren n,m und h beschreiben die Spannungsabhängigkeit <strong>der</strong> Leitfähigkeit<br />
<strong>der</strong> Kanäle. Hodgkin und Huxley nehmen in ihrem Modell an, daß je<strong>der</strong> Kanal aus<br />
vier statistisch voneinan<strong>der</strong> unabhängigen molekularen Ventilen besteht. Erst wenn<br />
alle Ventile eines Kanals geöffnet sind, können ihn die entsprechenden Ionen passieren<br />
und die Leitfähigkeit beträgt dann bzw. . Die Kaliumkanäle bestehen<br />
aus vier identischen Ventilen, die jeweils <strong>mit</strong> einer Öffnungswahrscheinlichkeit n im<br />
offenen Zustand vorliegen. Die Wahrscheinlichkeit, daß alle Ventile gleichzeitig<br />
geöffnet sind ist n4 K Na<br />
g0 g0 . Die Membranleitfähigkeit für Kaliumionen ergibt sich aus <strong>der</strong><br />
K<br />
maximalen Leitfähigkeit <strong>der</strong> Membran g0 und <strong>der</strong> Öffnungswahrscheinlichkeit n.<br />
Die Natriumkanäle bestehen aus vier Ventilen: Drei Ventilen <strong>mit</strong> <strong>der</strong> Öffnungswahrscheinlichkeit<br />
m und ein Ventil <strong>mit</strong> <strong>der</strong> Öffnungswahrscheinlichkeit h. Der Faktor<br />
m beschreibt die Aktivierung <strong>der</strong> Kanäle infolge einer Depolarisierung <strong>der</strong><br />
Membran. Das vierte Ventil <strong>mit</strong> <strong>der</strong> Öffnungswahrscheinlichkeit h beschreibt die<br />
Inaktivierung <strong>der</strong> Ionenkanäle. Ein Natriumkanal liegt <strong>mit</strong> <strong>der</strong> Wahrscheinlichkeit<br />
m in geöffnetem Zustand vor.<br />
3 ⋅<br />
h<br />
3 Die aktiven Transportprozesse über die Zellmembran werden nicht berücksichtigt.<br />
(13)<br />
(14)<br />
(15)<br />
(16)<br />
(17)
Elektrophysiologische Vorgänge an Zellmembranen 16<br />
Elektrisches Membranmodell<br />
Die Spannungsabhängigkeit <strong>der</strong> Faktoren n,m und h wird zu jedem Zeitpunkt t<br />
<strong>mit</strong> den Differentialgleichungen (18) bis (20) beschrieben. Diese Gleichungen wurden<br />
aus empirischen Messergebnissen bestimmt.<br />
----dn<br />
( αn( 1 – n)<br />
– βnn) dt<br />
1<br />
=<br />
-----ms<br />
dm<br />
------- ( αm( 1 – m)<br />
– βmm) dt<br />
1<br />
=<br />
-----ms<br />
dh<br />
----- ( αh( 1 – h)<br />
– βhh) dt<br />
1<br />
=<br />
-----ms<br />
αn = 001 , ----------------------------------<br />
10 – V'<br />
exp ----------------<br />
10 – V'<br />
– 1<br />
10<br />
βn = 0125 , exp⎛–<br />
-----<br />
V'⎞<br />
⎝ 80⎠<br />
αm 25 – V'<br />
= 01 , ----------------------------------<br />
25 – V'<br />
exp----------------<br />
– 1<br />
10<br />
βm =<br />
V'<br />
4exp⎛<br />
⎝<br />
– ----- ⎞<br />
18⎠<br />
αh =<br />
V'<br />
007 , exp⎛–<br />
----- ⎞<br />
⎝ 20⎠<br />
βh =<br />
1<br />
-----------------------------------<br />
30 – V'<br />
exp----------------<br />
+ 1<br />
10<br />
V'<br />
R<br />
( VM – VM) 1<br />
= ------mV<br />
Dabei sind und Geschwindigkeitskonstanten, die von <strong>der</strong> Temperatur, <strong>der</strong><br />
Ca ++ α β<br />
-Konzentration, dem pH-Wert und <strong>der</strong> Membranspannung abhängen [2]. In den<br />
Formulierungen von Hudgkin und Huxley geht nur die Membranspannung als explizite<br />
Größe ein. Die Differentialgleichungen (21) bis (23) beziehen sich auf die nor-<br />
R<br />
mierte und einheitenlose Größe V’, die <strong>der</strong> Differenzspannung ( VM – VM)/mV R<br />
zwischen <strong>der</strong> Membranspannung VM und dem Membranruhepotential VM entspricht.<br />
Der stationäre Endwerte n∞ ergibt sich aus <strong>der</strong> Gl. (25). Die stationären<br />
Werte m∞ und h∞ ergeben sich analog. Diese Werte können als Anfangswerte für<br />
Simulationen verwendet werden. Für die Zeitkonstanten des Faktors n gilt Gl. (26).<br />
Für die Zeitkonstanten <strong>der</strong> an<strong>der</strong>en Geschwindigkeitskonstanten m und h gilt Gl.<br />
(26) analog.<br />
n ∞<br />
αn = ----------------αn<br />
+ βn 1<br />
τn = -----------------<br />
–<br />
α n β n<br />
Simulation Abb. 6 zeigt eine Simulation <strong>der</strong> Membranspannung nach dem Modell von<br />
Hudgkin und Huxley <strong>mit</strong> den ursprünglichen Werten, die für das Riesenaxon eines<br />
Tintenfischs bestimmt wurden. Das Aktionspotential wurde durch einen Injektionsstromimpuls<br />
von 3nA für 1ms in die Zelle ausgelöst. Die Fläche <strong>der</strong> Zelle entspricht<br />
AM . Die Leitfähigkeit <strong>der</strong> Na + - und K + -Kanäle während des Ablaufs eines Aktionspotentials<br />
ist in Abb. 7 dargestellt. Zur Simulation wurden die Ratengleichungen<br />
(18) bis (20) und die Gleichung (27) integriert. Das Simulationsmodell ist im<br />
Anhang i dargestellt.<br />
c M<br />
dVM() t<br />
----------------- g<br />
dt<br />
Na Na<br />
( VM, t)<br />
( VM() t – Vo ) g K K<br />
( VM, t)<br />
( VM() t – Vo ) g L L Iinj ⋅ + + + ( VM() t – Vo ) =<br />
-------<br />
V M<br />
(18)<br />
(19)<br />
(20)<br />
(21)<br />
(22)<br />
(23)<br />
(24)<br />
(25)<br />
(26)<br />
A M<br />
(27)
Vm [mV]<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
-20<br />
-40<br />
-60<br />
Elektrophysiologische Vorgänge an Zellmembranen 17<br />
Elektrisches Membranmodell<br />
0 2 4 6 8 10 12 14 16<br />
Abb. 6: Aktionspotential nach dem Modell von Hudgkin und Huxley <strong>mit</strong> den<br />
Werten für das Riesenaxon des Tintenfischs (c M =1µF/cm 2 , A M<br />
=31416µcm 2 , g Na = 120mS/cm 2 , g K = 36mS/cm 2 , g L = 0.3mS/cm 2 , V Na =<br />
65mV, V K = -62mV, V L = -39,4mV, V R = -50mV).<br />
mS/cm 2<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
0<br />
g Na<br />
t [ms]<br />
0 2 4 6 8 10 12 14 16<br />
Abb. 7: Leitfähigkeit <strong>der</strong> Na + - und K + -Kanäle bei Ablauf des Aktionspotentials<br />
entsprechend Abb. 6.<br />
g K<br />
t [ms]
Lokale extrazelluläre Spannungen an <strong>der</strong> Zellmembran 18<br />
Elektrisches Membranmodell<br />
2. Lokale extrazelluläre Spannungen an <strong>der</strong><br />
Zellmembran<br />
Die Membranspannung einer Zelle kann durch verschiedene Verfahren direkt<br />
gemessen werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird die Patch-Clamp-Technik (Kap.<br />
6.1) angewendet. Bei diesem Verfahren wird das Zellinnere durch eine Mikropipette<br />
kontaktiert, die <strong>mit</strong> einem Elektrolyten gefüllt ist, dessen Zusammensetzung <strong>der</strong><br />
intrazellulären Flüssigkeit ähnlich ist. Über die Pipette kann das Potential in <strong>der</strong><br />
Zelle gemessen und ein definierter Strom eingeprägt werden. Zur <strong>Messung</strong> <strong>der</strong><br />
Membranspannung können aber auch Mikroelektroden o<strong>der</strong> Farbstoffe eingesetzt<br />
werden. Alle genannten Methoden zur <strong>Messung</strong> des Spannungsabfalls über die<br />
Membran haben den Nachteil, daß sie <strong>mit</strong> einem Eingriff in die Zelle verbunden<br />
sind und so<strong>mit</strong> die <strong>Messung</strong> <strong>der</strong> zellulären <strong>Aktivität</strong> nur für einen kurzen Zeitraum<br />
ermöglichen.<br />
Die intrazellulären Potentialän<strong>der</strong>ungen können aber auch extrazellulär durch<br />
einen Spannungsabfall im äußeren Elektrolyten gemessen werden, <strong>der</strong> durch einund<br />
ausströmende Ionen verursacht wird. Bei diesen Verfahren wird die Zelle <strong>mit</strong><br />
einer Oberfläche (oxidiertes Silizium) in Berührung gebracht, so daß zwischen Zelle<br />
und Oberfläche nur ein dünner Film des Elektrolyten verbleibt. Ionen, die im Spalt<br />
durch die Zellmembran ein- bzw. ausströmen, verursachen durch den Wi<strong>der</strong>stand<br />
des dünnen Elektrolyt-Films im Spalt einen Spannungsabfall. Auf Grund <strong>der</strong> hohen<br />
Leitfähigkeit des Elektrolyten bilden sich diese lokalen Spannungen aber nur im<br />
Bereich von wenigen Millivolt aus. Die Spannungen können <strong>mit</strong> Transistoren o<strong>der</strong><br />
planaren Elektroden, die in <strong>der</strong> Oberfläche integriert sind, registriert werden.<br />
Im Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried/München wurden unter <strong>der</strong><br />
Leitung von Peter Fromherz detaillierte Untersuchungen über die Entstehung <strong>der</strong><br />
lokalen extrazellulären Spannungen, die Beschaffenheit des Spalts zwischen einer<br />
Zelle und einer Oberfläche und die Registrierung <strong>der</strong> Spannungen <strong>mit</strong> integrierten<br />
Transistoren durchgeführt [7]-[21].<br />
Die ersten extrazellulären <strong>Messung</strong>en von Aktionspotentialen einzelner isolierter<br />
Nervenzellen von Blutegeln gelang 1990 in <strong>der</strong> Arbeitsgruppe von P .Fromherz [7].<br />
Er verwendete dafür p-Kanal-Feld-Effekt-Transistoren ohne metallisierte Gate-Elektrode<br />
<strong>mit</strong> einer Gategröße von 20µm mal 30µm. Bei diesen <strong>Messung</strong>en konnte er<br />
drei unterschiedliche Signalverläufe registrieren: Signalverläufe, die <strong>der</strong> ersten<br />
Ableitung des intrazellulären Signalverlaufs des Aktionspotentials entsprechen<br />
(biphasische Signale, Typ A), Signalverläufe die dem intrazellulären Signal linear<br />
folgen (monophasische Signale, Typ B) und Signalverläufe, die eine Mischform von<br />
den beiden an<strong>der</strong>en Type darstellen (Typ AB). In den nachfolgenden Arbeiten<br />
[8],[11],[12] von R. Weis aus seiner Arbeitsgruppe wurden die Übertragungseigenschaften<br />
<strong>der</strong> Zellmembran <strong>mit</strong> weiterentwickelten Feld-Effekt-Transistoren untersucht.<br />
Die Transistoren wurden in <strong>der</strong> Halbleiter-Technologie <strong>der</strong> TU-Berlin<br />
hergestellt. Bei diesen <strong>Messung</strong>en wurden die <strong>Zellen</strong> auf Feld-Effekt-Transistoren<br />
ohne Gate-Metallisierung aufgesetzt und es wurde das intrazelluläre Potential <strong>mit</strong><br />
<strong>der</strong> Patch-Clamp-Technik im Kleinsignalbereich <strong>mit</strong> Frequenzen von 0.1Hz bis<br />
5000Hz moduliert. Die gemessene Modulation des Souce-Drain-Stroms in Amplitude<br />
und Phase ermöglicht Rückschlüsse auf den lokalen extrazellulären Spannungsverlauf<br />
im Spalt. Es wurde auf dieser Grundlage ein zweidimensionales<br />
Kontaktmodell <strong>der</strong> Zellmembran <strong>mit</strong> einer Oberfläche entwickelt, das auf linearisierten<br />
Eigenschaften <strong>der</strong> Zellmembran im Kleinsignalbereich beruht. Mit diesem<br />
Modell können zwar die Übertragung einer von außen vorgegebenen intrazellulären<br />
Spannung auf die extrazelluläre Spannung im Spalt erklärt werden, jedoch nicht die<br />
unterschiedlichen extrazellulären Spannungsverläufe im Spalt, die <strong>mit</strong> Feld-Effekt-
2.1.Modellbildung<br />
Lokale extrazelluläre Spannungen an <strong>der</strong> Zellmembran 19<br />
Modellbildung<br />
Transistoren beim Ablauf eines Aktionspotentials beobachtet werden. In den weiteren<br />
Publikationen von R. Schätzthauer[17], S. Vassanelli [18] und P. Fromherz [21]<br />
wurde das Modell erweitert und die Verteilung <strong>der</strong> Ionenkanäle zwischen <strong>der</strong> freien<br />
Membran und dem Kontaktbereich zu einer Oberfläche berücksichtigt, so daß die<br />
unterschiedlichen Spannungsverläufe erklärt werden konnten.<br />
Die folgende Darstellung des Modells zur Beschreibung von lokalen extrazellulären<br />
Spannungen entspricht im Grundsatz den Ausführungen von P. Fromherz [21].<br />
Wird eine Zelle auf eine Oberfläche aus oxidiertem Silizium aufgesetzt, bildet sich<br />
zwischen <strong>der</strong> Siliziumdioxidoberfläche und <strong>der</strong> Zellmembran ein Spalt von 10-<br />
100nm aus, <strong>der</strong> <strong>mit</strong> Elektrolyt gefüllt ist. Die Breite des Spalts hängt von <strong>der</strong> Zelle<br />
und <strong>der</strong> gewählten Oberflächenbeschichtung ab [19], [20]. Das Silizium und die<br />
extrazelluläre Flüssigkeit (Bad) werden auf Massepotential gehalten, das Cytoplasma<br />
in <strong>der</strong> Zelle liegt auf dem einheitlichen Potential V M. 4 Im Spalt bildet sich<br />
ein ortsabhängiges Potential V J aus.<br />
Die Abb. 8 zeigt das Ersatzschaltbild für ein vereinfachtes Modell in dem die Ortsabhängigkeit<br />
<strong>der</strong> Spannung im Spalt V J unberücksichtigt bleibt (Punkt-Kontakt-<br />
Modell). Soll das Potentialprofil <strong>der</strong> Spannung V J berücksichtigt werden, ist eine<br />
separate Betrachtung für jedes differentielle Flächenelement im Spaltbereich<br />
gemäß <strong>der</strong> Kabeltheorie notwendig [11]. Die Darstellung in dieser Arbeit beschränkt<br />
sich auf das eindimensionale Punkt-Kontakt-Modell.<br />
Im Punkt-Kontakt-Modell <strong>der</strong> Abb. 8 wird angenommen, daß die spezifische Membrankapazität<br />
c M auf <strong>der</strong> gesamten Oberfläche <strong>der</strong> Zelle konstant ist. Die spezifische<br />
Leitfähigkeit <strong>der</strong> Ionenkanäle für die Ionensorte i beträgt g i und ist gemäß<br />
Gl.(15), (16) eine zeitabhängige Funktion <strong>der</strong> Membranspannung. Das Nernst-<br />
Potential V 0 i , ist abhängig vom Konzentrationsgradienten über die Zellmembran<br />
Gl.(6). Strömen Ionen durch die Zellmembran, gleicht sich die Ionenkonzentration<br />
im Spalt <strong>mit</strong> einer Zeitverzögerung <strong>der</strong> Ionenkonzentration im restlichen extrazellulären<br />
Raum an. Der Konzentrationsgradient im Spaltbereich über <strong>der</strong> Zellmembran<br />
ist nicht identisch <strong>mit</strong> dem Gradienten im Bereich <strong>der</strong> freien Membran. Das Nernst-<br />
Potential hat für diesen Teil <strong>der</strong> Membran deshalb einen an<strong>der</strong>en Wert V J0 i . Aufgrund<br />
<strong>der</strong> vorliegenden Meßergebnisse [17] wird angenommen, daß sich die Dichte<br />
<strong>der</strong> Ionenkanäle auf <strong>der</strong> Membranoberfläche und so<strong>mit</strong> auch die <strong>mit</strong>tlere spezifische<br />
Leitfähigkeit im Bereich <strong>der</strong> freien Membran A FM vom Kontaktbereich A JM<br />
unterscheidet. Die Leitfähigkeiten <strong>der</strong> Zellmembran im freien Bereich wird <strong>mit</strong> g FM i<br />
bezeichnet, die Leitfähigkeit im Kontaktbereich <strong>mit</strong> g JM i . Die Werte gFM i und gJM i<br />
beziehen sich auf ein differenzielles Flächenelement. Sind die Ionenkanäle auch<br />
innerhalb <strong>der</strong> freien Membranfläche und <strong>der</strong> Kontaktmembranfläche inhomogen<br />
verteilt, können die Leitfähigkeiten g FM i bzw. gJM i als ge<strong>mit</strong>telte Werte aufgefaßt<br />
werden. Es wird für jede Sorte <strong>der</strong> Ionenkanäle ein Faktor µ J i eingeführt, <strong>der</strong> das<br />
Leitfähigkeitsverhältnis zwischen den unterschiedlichen Membranbereichen<br />
beschreibt.<br />
i<br />
μJ =<br />
i<br />
gJM --------i<br />
gFM Die Darstellung entspricht <strong>mit</strong> zwei Unterschieden dem Modell von Hodgkin und<br />
Huxely:<br />
4 Der spezifische Wi<strong>der</strong>stand <strong>der</strong> extrazellulären Flüssigkeit wird nur im Spaltbereich berücksichtigt, im<br />
freien Raum wird er vernachlässigt.<br />
(28)
Lokale extrazelluläre Spannungen an <strong>der</strong> Zellmembran 20<br />
Modellbildung<br />
- Für den Teil <strong>der</strong> Zellmembran, <strong>der</strong> sich im Kontakt <strong>mit</strong> einer Oberfläche befindet,<br />
wird die Spannung im Spalt berücksichtigt. Es fällt in diesem Bereich eine<br />
an<strong>der</strong>e Spannung über die Membran ab als im freien Membranbereich.<br />
- Die spezifische Leitfähigkeit <strong>der</strong> Zellmembran im Kontaktbereich bzw. die Dichte<br />
<strong>der</strong> Ionenkanäle auf <strong>der</strong> Zellmembran im Kontaktbereich unterscheiden sich von<br />
<strong>der</strong> restlichen Zellmembran.<br />
- Im Spalt zwischen Oberfläche und Zellmembran herrscht eine an<strong>der</strong>e Ionenkonzentration<br />
als in <strong>der</strong> extrazellulären Flüssigkeit.<br />
I INJ /A M<br />
g FM i<br />
V 0 i<br />
V 0 i<br />
g JM i<br />
c OX<br />
(1)<br />
Abb. 8: Punkt-Kontakt-Modell einer Zelle <strong>mit</strong> einer oxidierten Siliziumoberfläche.<br />
Die spezifische Kapazität <strong>der</strong> Zellmbran c M ist über die gesamte<br />
Oberfläche A M <strong>der</strong> Zelle konstant. Silizium und Bad befinden sich auf<br />
Massepotential, das Cytoplasma <strong>der</strong> Zelle befindet sich auf dem einheitlichen<br />
Potential V M . Die Dichte <strong>der</strong> Ionenkanäle auf <strong>der</strong> freien Membran<br />
A FM und <strong>der</strong> Membran im Kontaktbereich A JM unterscheiden sich für<br />
jede Ionensorte i um den Faktor µ J i , <strong>der</strong> auch den Verhältnissen <strong>der</strong><br />
Membranleitfähigkeiten g JM i /gFM i entspricht. Über eine Patch-Pipette<br />
wird in die Zelle <strong>der</strong> Strom I INJ injeziert. Der Spalt zwischen<br />
Zellmembran und Siliziumoxid hat eine Breite von 10-100nm, <strong>der</strong> ge<strong>mit</strong>telte<br />
spezifische Wi<strong>der</strong>stand im Spalt beträgt g J .<br />
Betrachtet man eine freie Zelle, die kein Kontakt zu einer Oberfläche hat, folgt für<br />
den Knoten (1) <strong>der</strong> Abb. 8 die Differentialgleichung (29). Die Leitfähigkeit <strong>der</strong><br />
Ionenkanäle für jede Ionensorte über die gesamte Membranfläche ist konstant und<br />
i<br />
entspricht gFM . Der intrazelluläre Potentialverlauf ist nur von dem Injektionsstrom<br />
IINJ und dem Ionenstrom durch die Membrankanäle abhängig. Diese Darstellung<br />
entspricht soweit <strong>der</strong> Darstellung von Hodgkin und Huxley Gl.(13).<br />
IINJ i<br />
i dVM -------- = ∑ gFM( VM – V0) + cM---------- dt<br />
A M<br />
i<br />
Wird die Kontaktfläche <strong>der</strong> Zellmembran <strong>mit</strong> <strong>der</strong> Oberfläche berücksichtigt und für<br />
das Verhältnis zwischen <strong>der</strong> Membran im Kontaktbereich und <strong>der</strong> gesamten Membranfläche<br />
<strong>der</strong> Faktor β eingeführt, Gl.(30), bestimmt sich die Membranspannung<br />
nach dem Kirchhoffschen Gesetz im Knoten (1) gemäß Gl.(31). Im Spaltbereich<br />
i<br />
wird für jede Ionensorte ein an<strong>der</strong>es Nernst-Potenial VJ0 als im freien Membranbereich<br />
verwendet, da in diesem Bereich eine an<strong>der</strong>e Ionenkonzentration als im freien<br />
Bereich bestehen kann.<br />
c M<br />
V M<br />
c M<br />
(2)<br />
V J<br />
g J<br />
(29)
β<br />
=<br />
AJM ---------<br />
AM ∑<br />
i<br />
i<br />
IINJ = AFM gFM( VM – V0) + AJM gJM( VM – VJ – VJ0) i<br />
∑<br />
i<br />
Lokale extrazelluläre Spannungen an <strong>der</strong> Zellmembran 21<br />
Modellbildung<br />
i<br />
dVM dV ( M – VJ) + AFMcM---------- + AJMcM--------------------------- dt<br />
dt<br />
Mit AJM = βAM und AFM = ( 1 – β)AMfolgt:<br />
(32)<br />
I INJ<br />
i<br />
i β i<br />
i<br />
------------------------ = gFM( VM – V0) ( 1 – β)A<br />
∑<br />
+ ----------- gJM( VM – VJ – VJ0) M<br />
1 – β∑<br />
i<br />
i<br />
dVM cM--------- β dV ( M – VJ) + + ----------- cM--------------------------- .<br />
dt 1 – β dt<br />
Die lokale extrazelluläre Spannung V J wird durch den Spannungsabfall am Wi<strong>der</strong>stand<br />
des Elektrolyten im Spalt g J bestimmt, <strong>der</strong> proportional dem Strom durch den<br />
Spalt ist. Für den Knoten (2) in Abb. 8 folgt für die Spannung V J die Differentialgleichung<br />
(34). Der Strom durch den Spalt hängt von dem Ladestrom <strong>der</strong> Membranund<br />
Bulkkapazität und dem Stromfluß durch die Ionenkanäle <strong>der</strong> Membran in diesem<br />
Bereich ab.<br />
gJVJ =<br />
∑<br />
i<br />
i<br />
gJM i dV ( M – VJ) dVJ ( VM – VJ – VJ0) + cM--------------------------- – cOX-------- dt dt<br />
Zur Vereinfachung <strong>der</strong> Gl.(33)und (34) können folgende Näherungen gemacht<br />
werden:<br />
1. Die Membranleitfähigkeit ist sehr viel kleiner als die Leitfähigkeit des Elektro-<br />
i<br />
lyten im Spalt ∑gJM<br />
« gJ , so daß die Membranspannung im Spaltbereich<br />
VM – VJ <strong>der</strong> intrazellulären Spannung VM entspricht. Die Größenordnung von<br />
liegt im Vergleich zu nur bei wenigen Prozent.<br />
V J<br />
V M<br />
2. Die Ionenkonzentration des Elektrolyten im Spaltbereich unterscheidet sich<br />
nur wenig von <strong>der</strong> Ionenkonzentration im Bad, so daß auch im Spaltbereich<br />
das Nernst-Potential <strong>der</strong> freien Membran verwendet werden kann. Diese<br />
Annahme ist nur dann gerechtfertigt, wenn davon ausgegangen wird, daß<br />
sich durch Diffusionsbewegung die Konzentration im Spalt sehr schnell <strong>der</strong><br />
Konzentration im Bad angleicht. Bei einer Membrankapazität von 1µF/cm 2<br />
müssen über die Membran etwa 6000 Ionen/µm 2 verschoben werden, da<strong>mit</strong><br />
sich die Membranspannung um 100mV än<strong>der</strong>t. Dies entspricht 10-20 mol/<br />
µm2 . Geht man davon aus, daß zwischen Zellmembran und Oberfläche eine<br />
Spaltbreite von 10nm besteht [19], kommt es im Spalt zu einer Än<strong>der</strong>ung <strong>der</strong><br />
Ionenkonzentration um 1mmol/l. Die extrazelluläre Konzentration von Na +<br />
Ionen beträgt 145mmol/l, von K + i<br />
V0 Ionen 4mmol/l.<br />
3. Für Än<strong>der</strong>ungen des intrazellulären Potentials im Millisekundenbereich, in<br />
dem sich Aktionspotentiale von Zelle abspielen, können die kapazitiven<br />
Ströme im Spaltbereich ( cOX + cM)dVJ /dt <strong>mit</strong> cM 1μFcm und<br />
vernachlässigt werden. Mit <strong>der</strong> spezifischen Leitfähigkeit des<br />
Elektrolyten im Spaltbereich von liegt die Zeitkonstante bei<br />
.<br />
2 –<br />
≈<br />
cOX 10nFcm 2 –<br />
≈<br />
gJ 1000mScm 2 –<br />
≈<br />
τJ =<br />
1μs<br />
Werden diese Näherungen in den Gl.(33)und (34) berücksichtigt, folgen die beiden<br />
Differentialgleichungen (35) und (36):<br />
i<br />
(30)<br />
(31)<br />
(33)<br />
(34)
homogene Verteilung<br />
(1)<br />
IINJ ------------------------ ⎛ i<br />
g<br />
β i<br />
FM + ----------- g ⎞ i<br />
JM ( VM – V<br />
( 1 – β)A<br />
⎝<br />
M<br />
1 – β ⎠ 0)<br />
1 dVM = ∑<br />
+ ----------- cM---------- 1 – β dt<br />
gJVJ =<br />
∑<br />
i<br />
i<br />
gJM i<br />
Lokale extrazelluläre Spannungen an <strong>der</strong> Zellmembran 22<br />
Modellbildung<br />
Beide Gleichungen sind von dem spezifischen Ladestrom <strong>der</strong> Membrankapazität<br />
cMdVM /dt abhängig, so daß die Gleichungen (35) und (36) ineinan<strong>der</strong> eingesetzt<br />
werden können. Zusätzlich kann für die unterschiedliche Leitfähigkeit zwischen <strong>der</strong><br />
i<br />
freien und bedeckten Membranfläche <strong>der</strong> Faktor μJ <strong>der</strong> Gl.(28) eingesetzt werden.<br />
Die lokale extrazelluläre Spannung im Spalt kann so<strong>mit</strong> in Abhängigkeit des Injektionsstroms,<br />
<strong>der</strong> Leitfähigkeit <strong>der</strong> freien Membranfläche und <strong>der</strong> intrazellulären<br />
Spannung formuliert werden.<br />
V J<br />
Je nach Anordnung <strong>der</strong> Ionenkanäle in <strong>der</strong> Membran im Kontaktbereich im Verhältnis<br />
zum freien Bereich sind unterschiedliche extrazelluläre Spannungsverläufe<br />
VJ() t zu erwarten. Grundsätzlich sind fünf unterschiedliche Möglichkeiten <strong>der</strong> Verteilung<br />
<strong>der</strong> Ionenkanäle zwischen freier Zellmembran und <strong>der</strong> Membran im Kontaktbereich<br />
denkbar:<br />
(1) Homogene Verteilung <strong>der</strong> Ionenkanäle zwischen freier Membran und <strong>der</strong><br />
Membran im Kontaktbereich (homogene Verteilung),<br />
(2) vollständige Verarmung <strong>der</strong> Ionenkanäle im Kontaktbereich (vollständige<br />
Verarmung),<br />
(3) rein ohmscher Wi<strong>der</strong>stand <strong>der</strong> Ionenkanäle im Kontaktbereich (linearer Übergang),<br />
(4) Anreicherung/Verarmung aller Ionenkanäle im gleichen Verhältnis zwischen<br />
freier Membran und <strong>der</strong> Membran im Kontaktbereich (konstante Anreicherung/Verarmung),<br />
(5) unterschiedliche Verteilung <strong>der</strong> Ionenkanäle zwischen freier Membran und<br />
<strong>der</strong> Membran im Kontaktbereich (unterschiedliche Anreicherung/Verarmung).<br />
Eine homogene Verteilung <strong>der</strong> Ionenkanäle über die gesamte Zelloberfläche<br />
i<br />
μJ = 1 läßt in Gl.(37) den Stromanteil durch die Ionenkanäle <strong>der</strong> Membran vollständig<br />
verschwinden. Die extrazelluläre Spannung VJ bildet nur noch den spezifischen<br />
Injektionsstrom <strong>mit</strong> dem Skalierungsfaktor gJ ab. Die Grundvoraussetzung zur <strong>Messung</strong><br />
von Aktionspotentialen sind also Inhomogenitäten in <strong>der</strong> Verteilung <strong>der</strong> Ionenkanäle<br />
über die Zellmembran. Mit β « 1 gilt für eine homogene Verteilung <strong>der</strong><br />
Ionenkanäle:<br />
Die Abb. 9 (ii) zeigt den extrazellulären Spannungsverlauf VJ() t im Spalt bei<br />
Ablauf eines Aktionspotentials bei homogener Verteilung <strong>der</strong> Ionenkanäle in einer<br />
Simulation. Der Spannungsverlauf spiegelt nur den Injektionsstromimpuls wie<strong>der</strong>.<br />
Bei homogener Verteilung wird also kein Aktionspotential sichtbar.<br />
Trotzdem wurden in <strong>Messung</strong>en lokale extrazelluläre Spannungsverläufe festgestellt,<br />
die nicht dem Injektionsstrom entsprechen. Es ist deshalb davon auszugehen,<br />
daß <strong>der</strong> Kontakt <strong>der</strong> Zellmembran <strong>mit</strong> einer Oberfläche zu einer Verarmung/<br />
Anreicherung o<strong>der</strong> Inaktivierung/Aktivierung <strong>der</strong> Ionenkanäle in <strong>der</strong> Zellmembran<br />
(35)<br />
i dVM ( VM – V0) + cM---------- . (36)<br />
dt<br />
I INJ<br />
1 – β<br />
i i<br />
i<br />
= ----------- ------------------------ – gFM( 1 – μJ) ( VM – V0) gJ ( 1 – β)A∑<br />
M<br />
I INJ<br />
i<br />
gJVJ = --------- . (38)<br />
A M<br />
(37)
vollständige Verarmung<br />
(2)<br />
linearer Übergang<br />
(3)<br />
konstante Anreicherung/Verarmung<br />
(4)<br />
Lokale extrazelluläre Spannungen an <strong>der</strong> Zellmembran 23<br />
Modellbildung<br />
führt o<strong>der</strong> die Ionenkanäle über die Membran generell inhomogen verteilt sind. Die<br />
Verteilung <strong>der</strong> Ionenkanäle scheint jedoch von mehreren unterschiedlichen und<br />
noch unbekannten Faktoren abzuhängen, da verschiedene Verläufe <strong>der</strong> extrazellulären<br />
Spannungen gemessen wurden, die auf grundlegend unterschiedliche Verteilungen<br />
hinweisen.<br />
Bei einer vollständigen Verarmung <strong>der</strong> Ionenkanäle im Kontaktbereich <strong>der</strong> Mem-<br />
i<br />
bran gJM ≈ 0 ist die Spannung VJ() t im Spalt proportional zur ersten Ableitung <strong>der</strong><br />
intrazellulären Spannung VM() t . Die Leitfähigkeit des Elektrolyten im Spalt gJ stellt<br />
lediglich einen Skalierungsfaktor dar.<br />
gJVJ =<br />
c M<br />
dVM ---------dt<br />
Vollständige Verarmung aller Ionenkanäle im Spalt bedeutet: μJ = 0 für alle<br />
Ionenkanäle i. Die erste Ableitung <strong>der</strong> Membranspannung dVM()/dt t wird für β « 1<br />
nur durch den Ionenstrom durch die freie Membranfläche und den Injektionsstrom<br />
bestimmt.<br />
c M<br />
dVM ---------dt<br />
I INJ<br />
A M<br />
∑<br />
= --------- – gFM( VM – V0) i<br />
i<br />
i<br />
Die Spannung VJ() t bildet so<strong>mit</strong> nur den Injektionsstrom und den Strom durch die<br />
Ionenkanäle <strong>der</strong> freien Membranfläche ab.<br />
I INJ<br />
gJVJ = --------- – gFM( VM – V0) A M<br />
∑<br />
i<br />
i<br />
i<br />
Das Simulationsergebnis für eine vollständige Verarmung <strong>der</strong> Ionenkanäle im<br />
Kontaktbereich zeigt Abb. 9 (iii). In <strong>der</strong> Abbildung ist beson<strong>der</strong>s auf den Skalierungsunterschied<br />
<strong>der</strong> Ordinate zu achten.<br />
Es kann davon ausgegangen werden [21], daß nur ein Teil <strong>der</strong> Ionenkanäle <strong>der</strong><br />
i<br />
Zellmembran spannungsgesteuert sind gFM( VM) , ein an<strong>der</strong>er Teil ist dagegen<br />
unabhängig von <strong>der</strong> intrazellulären Spannung VM . Dieser Anteil entspricht den<br />
Leckströmen durch die Zellmembran. Im Falle des linearen Übergangs wird angenommen,<br />
daß im Kontaktbereich <strong>der</strong> Membran die spannungsabhängigen Ionenkanäle<br />
fehlen o<strong>der</strong> inaktiviert sind, während ein ohmscher Leitfähigkeitsanteil<br />
L<br />
gJM über die Membran in diesem Bereich verbleibt. Aus Gl.(36) folgt die Gleichung<br />
(42).<br />
gJVJ =<br />
dVM ( ) + cM---------- dt<br />
L i<br />
gJM VM – V0 Der Verlauf von VJ() t stellt eine lineare Funktion <strong>der</strong> intrazellulären Spannung<br />
VM() t dar, wenn <strong>der</strong> kapazitive Strom cMdVM /dt sehr viel kleiner als <strong>der</strong> lineare<br />
i<br />
Anteil ( – ) ist.<br />
L<br />
gJM VM V0 Dieses Verhalten konnte in <strong>der</strong> Simulation nicht dargestellt werden, da bei einer<br />
intakten Membran <strong>der</strong> Leckstromanteil vernachlässigbar klein ist.<br />
Ist die Anreicherung o<strong>der</strong> Verarmung zwischen Kontaktbereich und freier Mem-<br />
i i<br />
bran für alle Ionenkanäle identisch, gilt für alle Leitwertverhältnisse gJM/gFM <strong>der</strong><br />
i i<br />
gleiche Faktor μJ <strong>mit</strong> gJM/gFM = μJ . Aus Gl. (35) und (36) folgen ohne Injektionsstrom<br />
die Gl.(43) und Gl.(44).<br />
0 ⎛ β<br />
1+<br />
----------- μ ⎞ i<br />
i 1 dVM =<br />
⎝ J<br />
gFM<br />
1 – β ⎠ ∑ ( VM – V0) + ----------- cM---------- 1 – β dt<br />
i<br />
i<br />
(39)<br />
(40)<br />
(41)<br />
(42)<br />
(43)
Simulationsmodell<br />
i<br />
i dVM gJVJ = μJ ∑ gFM( VM – V0) + cM---------- dt<br />
i<br />
Lokale extrazelluläre Spannungen an <strong>der</strong> Zellmembran 24<br />
Modellbildung<br />
In diesem Fall kann die Leitfähigkeit gFM <strong>der</strong> Zellmembran eliminiert werden.<br />
Durch Einsetzen <strong>der</strong> Gl.(44) in Gl.(43) wird die extrazelluläre Spannung durch<br />
Gl.(45) beschrieben.<br />
V J<br />
1<br />
1 – ----------- μJ 1 – β<br />
--------------------------β<br />
1 + ----------- μJ 1 – β<br />
cM -----gJ<br />
dVM =<br />
---------dt<br />
Für eine sehr kleine Kontaktfläche <strong>der</strong> Zellembran <strong>mit</strong> einer Oberfläche β « 1 vereinfacht<br />
sich <strong>der</strong> Ausdruck zu:<br />
V J<br />
g J<br />
Der Spannungsverlauf im Spalt VJ() t entspricht bis auf einen konstanten Faktor<br />
dem Spannungsverlauf bei vollständiger Verarmung <strong>der</strong> Ionenkanäle im Kontaktbereich<br />
Gl.(39). VJ() t folgt <strong>der</strong> ersten Ableitung <strong>der</strong> intrazellulären Spannung VM() t .<br />
Der Dichtefaktor μJ bewirkt nur eine Än<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> Amplitude des Signalverlaufs.<br />
Eine vollständige Verarmung bedeutet μJ = 0 und Gl.(46) ist <strong>mit</strong> Gl.(39) identisch.<br />
Partielle Verarmung μJ < 1 verkleinert die Amplitude des Signals, partielle Anreicherung<br />
μJ > 1 führt zu einer Invertierung <strong>der</strong> kapazitiven Antwort.<br />
Das Simulationsergebnis für eine partielle Verarmung/Anreicherung <strong>der</strong> Ionenkanäle<br />
im Kontaktbereich <strong>der</strong> Membran ist in Abb. 10 dargestellt. Im Diagramm (vi)<br />
sind die Na + Kanäle auf 50% im Kontaktbereich verarmt und die K + Kanäle auf<br />
200% angereichert. Das Diagramm (vii) zeigt genau die umgekehrte Konstellation.<br />
Als Grundlage für die Berechnung des extrazelluläre Spannungsverlaufs VJ() t bei<br />
unterschiedlichen Verteilungsverhältnissen <strong>der</strong> Ionenkanäle über die Zellmembran<br />
wurden das Modells von Hodgkin und Huxley eingesetzt. Als spannungsgesteuerte<br />
Ionenkanäle wurden die Kanäle für Natrium und Kalium <strong>mit</strong> den spezifischen Leitfä-<br />
Na K<br />
higkeiten gFM und gFM berücksichtigt. Die spannungsunabhängige spezifische<br />
L<br />
Leitfähigkeit <strong>der</strong> Membran geht über gFM in das Modell ein. Die Verteilung <strong>der</strong><br />
Ionenkanäle zwischen dem Kontaktbereich und <strong>der</strong> freien Membran wird durch die<br />
Na K L<br />
Faktoren μJ , μJ , und μJ ausgedrückt. Der Membranspannungsverlauf wurde entsprechend<br />
Gl.(47) , die extrazelluläre Spannung im Spalt entsprechend Gl.(48)<br />
simuliert. Die Abhängigkeit <strong>der</strong> spezifischen Leitfähigkeit von <strong>der</strong> Membranspannung<br />
wurde nach den Ratengleichungen von Hudgkin und Huxley berechnet<br />
Gl.(15)-Gl.(24).<br />
Membranspannungsverlauf VM() t :<br />
Lokaler extrazellulärer Spannungsverlauf VJ() t im Spalt:<br />
i<br />
(44)<br />
(45)<br />
1 – μJ -------------- . (46)<br />
1<br />
cM ------ dVM =<br />
---------dt<br />
I INJ<br />
Na<br />
------------------------ ⎛ β Na<br />
1+<br />
----------- μ ⎞ Na<br />
J<br />
gFM<br />
( 1 – β)A<br />
⎝<br />
M 1 – β ⎠<br />
( VM – V0 ) ⎛ β K<br />
1 + ----------- μ ⎞ K<br />
=<br />
+<br />
⎝ J<br />
gFM<br />
1 – β ⎠<br />
( VM – V0 )<br />
gJVJ =<br />
μJ Na Na Na<br />
gFM VM – V0 β L L<br />
⎛1+ ----------- μ ⎞<br />
L 1 dVM +<br />
⎝ J g ( V<br />
1 – β ⎠ M – V0 ) + ----------- cM---------- FM<br />
1 – β dt<br />
K K K L L L dVM ( ) + μJgFM( VM – V0 ) + μJgFM( VM – V0 ) + cM---------- dt<br />
K<br />
(47)<br />
(48)
V J [mV]<br />
V M [mV]<br />
V J [mV]<br />
V J [mV]<br />
V J [mV]<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
-20<br />
-40<br />
-60<br />
0,016<br />
0,012<br />
0,008<br />
0,004<br />
0,000<br />
0,5<br />
0,4<br />
0,3<br />
0,2<br />
0,1<br />
0,0<br />
-0,1<br />
-0,2<br />
0,3<br />
0,2<br />
0,1<br />
0,0<br />
-0,1<br />
0,2<br />
0,1<br />
0,0<br />
-0,1<br />
-0,2<br />
-0,3<br />
-0,4<br />
-0,5<br />
Lokale extrazelluläre Spannungen an <strong>der</strong> Zellmembran 25<br />
Modellbildung<br />
0 2 4 6 8 10 12 14 16<br />
t [ms]<br />
0 2 4 6 8 10 12 14 16<br />
t [ms]<br />
0 2 4 6 8 10 12 14 16<br />
t [ms]<br />
0 2 4 6 8 10 12 14 16<br />
t [ms]<br />
0 2 4 6 8 10 12 14 16<br />
t [ms]<br />
Abb. 9: Simulation <strong>der</strong> extrazellulären Spannung im Spalt bei unterschiedlicher<br />
Verteilung <strong>der</strong> Ionenkanäle zwischen freier Membranfläche und <strong>der</strong><br />
Membranfläche im Kontaktbereich. (i) intrazellulärer Spannungverlauf<br />
(i)<br />
(ii)<br />
(iii)<br />
(iv)<br />
(v)
V J [mV]<br />
V J [mV]<br />
2,0<br />
1,5<br />
1,0<br />
0,5<br />
0,0<br />
0,0<br />
-0,5<br />
-1,0<br />
-1,5<br />
-2,0<br />
Lokale extrazelluläre Spannungen an <strong>der</strong> Zellmembran 26<br />
Modellbildung<br />
<strong>mit</strong> den unrsprünglichen Werten von Hodgkin und Huxley für das<br />
Riesenaxon des Tintenfischs (Werte analog Abb. 6 ). Extrazellulärer<br />
Spannungsverlauf bei: (ii) homogene Verteilung <strong>der</strong> Ionenkanäle über<br />
die Membran μJ = 1 . (iii) vollständige Verarmung <strong>der</strong> Ionenkanäle im<br />
Kontaktbereich μJ = 0 . (iv) Verarmung aller Kanäle im Kontaktbereich<br />
auf 50% <strong>der</strong> freien Membranfläche μJ = 05 , . (v) Anreicherung aller<br />
Kanäle im Kontaktbereich auf 200% μJ = 2 . Die Größe des Kontaktbereichs<br />
wurde im Verhältnis zur freien Membranfläche vernachlässigt<br />
( β = 0 ), für den spezifischen Wi<strong>der</strong>stand im Spalt wurde<br />
700mS/cm eingesetzt.<br />
2<br />
=<br />
g J<br />
0 2 4 6 8 10 12 14 16<br />
t [ms]<br />
0 2 4 6 8 10 12 14 16<br />
t [ms]<br />
Abb. 10: Partielle Verarmung/Anreicherung einzelner Ionenkanäle im Kontaktbereich<br />
<strong>der</strong> Membran. (vi) Verarmung <strong>der</strong> Na + Kanäle auf 50%, Anreicherung<br />
<strong>der</strong> K + -Kanäle auf 200%. (vii) Anreicherung <strong>der</strong> Na + -Kanäle auf<br />
200%, Verarmung <strong>der</strong> K + -Kanäle auf 50%.<br />
(vi)<br />
(vii)
Lokale extrazelluläre Spannungen an <strong>der</strong> Zellmembran 27<br />
<strong>Messung</strong>en von lokalen extrazellulären Spannungen<br />
2.2.<strong>Messung</strong>en von lokalen extrazellulären Spannungen<br />
Die Langzeitregistrierung <strong>der</strong> <strong>elektrischen</strong> <strong>Aktivität</strong> einzelner <strong>Zellen</strong> in vitro ist nur<br />
möglich, wenn das intrazelluläre Potential <strong>der</strong> Zelle ohne eine zerstörende Wirkung<br />
gemessen werden kann. Alle etablierten Verfahren, bei denen die <strong>Messung</strong> des<br />
Spannungsabfalls über die Membran <strong>mit</strong> einem Eingriff in die Zelle verbunden ist,<br />
ermöglichen die <strong>Messung</strong> <strong>der</strong> zellulären <strong>Aktivität</strong> nur für einen kurzen Zeitraum. Die<br />
mechanische Belastung <strong>der</strong> Zellmembran durch die Kontaktierung des intrazellulären<br />
Raums <strong>mit</strong>tels Patch-Clamp Technik (Kap. 6.1) o<strong>der</strong> Mikroelektroden bzw. die<br />
toxische Wirkung von Farbstoffen führen nach kurzer Zeit zu einer Zerstörung <strong>der</strong><br />
Zelle.<br />
Langzeitmessungen an einzelnen <strong>Zellen</strong> können durch <strong>Messung</strong> von lokalen<br />
extrazelluläre Spannungen durchgeführt werden, die bei elektrischer <strong>Aktivität</strong> <strong>der</strong><br />
Zelle in einem dünnen Spaltbereich zwischen <strong>der</strong> Zellmembran und einer Oberfläche<br />
entstehen. Die extrazellulären Spannungen an Zellmembranen können <strong>mit</strong> verschiedenen<br />
Messverfahren registriert werden.<br />
2.2.1. <strong>Messung</strong>en <strong>mit</strong> Elektroden<br />
Von W. Regehr [25], R.J.A. Wilson [26], W. Gross [24], J. Pine [23] und an<strong>der</strong>en<br />
wurden <strong>Messung</strong>en <strong>der</strong> extrazellulären Spannungen <strong>mit</strong> planaren Elektroden unterschiedlicher<br />
Materialien durchgeführt. Die verwendeteten Elektroden sind dabei in<br />
die Oberfläche integriert, auf <strong>der</strong> die <strong>Zellen</strong> aufliegen. Bei diesen <strong>Messung</strong>en<br />
besteht ein ohmscher Kontakt zwischen dem Elektrolyten und dem Elektrodenmaterial<br />
im Spaltbereich. Fließt bei den <strong>Messung</strong>en ein ohmscher Gleichstromanteil<br />
über die Elektroden, laufen an den Kontaktbereichen chemische Elektrolyse-Reaktionen<br />
ab, bei denen i.d.R. toxische Stoffe entstehen, so daß Langzeitregistrierungen<br />
in Zellkulturen nicht möglich sind.<br />
Neben den Elektroden, bei denen ein ohmscher Kontakt besteht, können rein<br />
kapazitive Elektroden verwendet werden. Durch eine dünne Isolationsschicht werden<br />
die Elektroden vom Elektrolyten isoliert, so daß bei Spannungsän<strong>der</strong>ungen im<br />
Spalt nur ein Verschiebungsstrom (Lade- bzw. Entladestrom) in den Elektroden verursacht<br />
wird.<br />
2.2.2. <strong>Messung</strong>en <strong>mit</strong> Transistoren<br />
Zur Impedanzwandlung und Verstärkung <strong>der</strong> kapazitiv eingekoppelten Signale<br />
un<strong>mit</strong>telbar im Kontaktbereich, können <strong>mit</strong> den Verfahren <strong>der</strong> Halbleiter-Technologie<br />
Messanordnungen hergestellt werden, bei denen direkt unterhalb <strong>der</strong> Zelle<br />
Transistoren in <strong>der</strong> Oberfläche integriert sind. Prinzipiell können bei diesem Verfahren<br />
Feld-Effekt-Transistoren o<strong>der</strong> Bipolar-Transistoren verwendet werden. P. Fromherz<br />
vom MPI Martinsried/München konnte erfolgreich <strong>mit</strong> Feld-Effekt-Transistoren<br />
extrazelluläre Spannungsverläufe an Blutegelneuronen messen [21], wobei die<br />
Gatekapazität als kapazitive Elektrode diente. <strong>Messung</strong>en <strong>mit</strong> Bipolar-Transistoren,<br />
bei denen auf die extrinsische Basis eine kapazitive Elektrode aufgebracht wurde,<br />
wurden von T. Kind an <strong>der</strong> TU-Berlin durchgeführt [29].
<strong>Messung</strong>en <strong>der</strong> lokalen extrazellulären Spannung <strong>mit</strong> Feld-Effekt-Transistoren 28<br />
Aufbau des Sensor-Chips<br />
3. <strong>Messung</strong>en <strong>der</strong> lokalen extrazellulären<br />
Spannung <strong>mit</strong> Feld-Effekt-Transistoren<br />
Zur <strong>Messung</strong> <strong>der</strong> lokalen extrazellulären Spannungen werden Feld-Effekt-Transistoren<br />
verwendet, die auf einem Sensor-Chip integriert sind. Der Chip (Cultus 1.1,<br />
Abb. 11) wurden von T. Kind entworfen und in <strong>der</strong> Halbleiter-Technologie <strong>der</strong> TU-<br />
Berlin hergestellt. Der Sensor-Chip wurde auch bei den Versuchsreihen von P.<br />
Fromherz [8], [9] verwendet.<br />
3.1.Aufbau des Sensor-Chips<br />
Transistor-Array Auf einem Chip sind insgesamt 64 Transistoren in 16 Reihen angeordnet. Die<br />
Kanalgeometrie <strong>der</strong> Transistoren <strong>der</strong> verschiedenen Reihen unterscheidet sich in<br />
den Weiten und Längen. Es werden da<strong>mit</strong> zum einen unterschiedliche Verhältnisse<br />
<strong>der</strong> Kanalweite zur Kanallänge und so<strong>mit</strong> unterschiedliche Übertragungsleitwertfaktoren<br />
<strong>der</strong> Transistoren und zum an<strong>der</strong>en unterschiedliche absolute Größen <strong>der</strong><br />
Gatebereiche realisiert. Die Werte <strong>der</strong> W/L-Verhältnisse des Kanals variieren von<br />
0,2 bis 6, die Größen <strong>der</strong> Gatebereiche von 2µmx1,8µm bis 40µmx40µm (Tab. 3).<br />
Abb. 11: Array <strong>mit</strong> 64 Feld-Effekt-Transistoren ohne Gate-Metallisiering (EOS-<br />
Transistoren). Der Chip hat eine Größe von 10mmx10mm und wurde<br />
von T.Kind an <strong>der</strong> TU-Berlin entwickelt. In je<strong>der</strong> Reihe sind 4 identische<br />
Transistoren angeordnet, die Transistoren <strong>der</strong> unterschiedlichen Reihen
<strong>Messung</strong>en <strong>der</strong> lokalen extrazellulären Spannung <strong>mit</strong> Feld-Effekt-Transistoren 29<br />
Aufbau des Sensor-Chips<br />
unterscheiden sich in den Kanalgeometrien. Für jeden Transistor ist<br />
eine separate Drainzuleitung nach außen geführt, die Sourcezuleitungen<br />
sind für 4 bis 8 Transistoren zusammengefaßt.<br />
Die Zuleitungen <strong>der</strong> Transistoren bestehen aus p + -leitendem, hochdotiertem Silizium<br />
(Bor, NA 10 ) <strong>mit</strong> einem Schichtwi<strong>der</strong>stand von , die durch eine<br />
Siliziumdioxidschicht von etwa 500nm vom Elektrolyten isoliert sind. Für jeden<br />
Transistor ist eine separate Drainzuleitung nach außen geführt. Die Sourcezuleitungen<br />
sind immer für die 4 Transistoren einer Reihe zusammengefaßt. Die Ausnahme<br />
bilden dabei die <strong>mit</strong>tleren Transistoren, bei denen die Sourcezuleitungen von<br />
jeweils 8 Transistoren zusammengefaßt sind. Der außenliegende Transistor einer<br />
Reihe besitzt zwei parallele Drainzuleitungen, um bei <strong>Messung</strong>en durch Parallelschaltung<br />
<strong>der</strong> Zuleitungen den Einfluß des Zuleitungswi<strong>der</strong>stands identifizieren zu<br />
können. Die Reihen <strong>der</strong> Transistoren sind gemäß Abb. 11 nummeriert. Die Transistoren<br />
einer Reihe werden durch die Buchstaben von a bis d unterschieden, wobei<br />
sie in <strong>der</strong> Reihenfolge von links nach rechts benannt sind.<br />
19 cm 3 –<br />
= 15Ω/<br />
Tab. 3: Kanalgeometrie <strong>der</strong> Transistoren in den verschiedenen Reihen. Die<br />
Kanalgeometrie <strong>der</strong> Transistoren in einer Reihe unterschiedet sich nicht.<br />
Reihe 1 2 3 4 5 6 7 8<br />
Weite [µm] 8 12 6 4 4 4 8 2,0<br />
Länge [µm] 2 2 2 2 2 3 3 1,8<br />
Reihe 9 10 11 12 13 14 15 16<br />
Weite [µm] 40 5 10 2,0 2,0 40 4 20<br />
Länge [µm] 40 5 10 1,8 1,8 40 20 4<br />
Der Chip ist in einen PGA-Sockel eingeklebt und die Zuleitungen <strong>der</strong> Transistoren<br />
sind <strong>mit</strong> Bonddrähten <strong>mit</strong> den Sockelkontakten verbunden. Zur Aufnahme des Elektrolyten<br />
ist auf dem Chip eine Plexiglasschale <strong>mit</strong> einem Loch über dem Transistor-<br />
Array <strong>mit</strong> Siliconkleber aufgeklebt.<br />
15Ω/<br />
30Ω/<br />
Abb. 12: Schnitt durch einen EOS-Transistor (schematische Zeichnung). Über<br />
dem Kanalbereich und den Drain- und Sourcediffusionen beträgt die<br />
Oxiddicke 8nm.<br />
EOS-Transistoren Bei den Transistoren handelt es sich um p-Kanal-Feld-Effekt-Transistoren, die<br />
keine Gate-Metallisierung besitzen (Electrolyte-Oxide-Semiconductor-Transistor).<br />
Das Gate wird durch den Elektrolyten gebildet, <strong>der</strong> den gesamten Chip überdeckt.<br />
Der Elektrolyt wird vom Kanalbereich durch eine 8nm dicke Siliziumdioxidschicht<br />
isoliert. Der Vorteil von p-Kanal-Transistoren liegt im Vergleich zu n-Kanal-Transistoren<br />
darin, daß Defekte und Risse im dünnen Gateoxid durch anodische Oxidation<br />
wie<strong>der</strong> zuwachsen können und so<strong>mit</strong> Kurzschlüsse zum Elektrolyten vermieden<br />
werden. Die Drain- und Sourcegebiete werden durch hochdotierte Bereiche <strong>mit</strong><br />
einem Schichtwi<strong>der</strong>stand von 30Ω/<br />
gebildet. Die dünnen Oxidfensteröffnung (8nm<br />
50µm<br />
8nm<br />
Source Drain<br />
Bulk<br />
15Ω/<br />
500nm
Verschaltung <strong>der</strong><br />
Transistoren<br />
<strong>Messung</strong>en <strong>der</strong> lokalen extrazellulären Spannung <strong>mit</strong> Feld-Effekt-Transistoren 30<br />
Aufbau des Sensor-Chips<br />
Oxiddicke) hat bei den Transistoren-Reihen 5 und 13 nur die Ausmaße des Kanalbereichs,<br />
bei allen an<strong>der</strong>en Transistoren ist das Oxid auch über den hochdotierten<br />
Drain- und Soucegebieten auf 8nm gedünnt. Die unterschiedliche Oberflächentopographie<br />
kann den Kontakt <strong>der</strong> Zelle <strong>mit</strong> <strong>der</strong> Oberfläche und so<strong>mit</strong> die Spaltbreite<br />
beeinflussen.<br />
Abb. 13: Aufsicht auf einen EOS-Transistor <strong>mit</strong> kleinem Oxidfenster (links) und<br />
großem Oxidfenster (rechts). Das dicke Oxid (500nm) ist durch die<br />
vertikale Schraffur dargestellt.<br />
Das gesamte Bulk von allen Transistoren liegt immer auf dem gewählten Source-<br />
Potential. Mit einem Multiplexer kann jeweils ein Transistor eingeschaltet werden.<br />
Bei den an<strong>der</strong>en ausgeschalteten Transistoren können entwe<strong>der</strong> die Source- und<br />
Drain-Anschlüsse auf Masse-Potential gelegt werden o<strong>der</strong> die Zuleitungen werden<br />
hochohmig geschaltet. Werden die Zuleitungen <strong>der</strong> ausgeschalteten Transistoren<br />
auf Masse gelegt, sperren zwar die Source-Bulk- und Drain-Bulk-Dioden, es hat<br />
sich aber gezeigt, daß in diesem Fall ein nicht zu vernachlässigen<strong>der</strong> Sperrstrom<br />
zwischen Bulk und Masse fließt. Wird ein Transistor eingeschaltet, werden die<br />
Zuleitungen gemäß Abb. 14 verbunden.<br />
U SG<br />
U DG<br />
Bad<br />
Zelle<br />
S<br />
D<br />
Abb. 14: Verschaltung <strong>der</strong> p-Kanal-Transistoren: Das Bad liegt auf Masse-<br />
Potential. Die lokale extrazelluläre Spannung, die im Spalt zwischen<br />
Transistor und Zellmembran bei Potentialän<strong>der</strong>ungen innerhalb <strong>der</strong><br />
Zelle entsteht, überlagert sich dem Badpotential als Kleinsignalanteil.<br />
Mit den beiden Spannungsquellen läßt sich die Drain-Source- und die<br />
Gate-Source-Spannung einstellen. Der Transimpedanzverstärker setzt<br />
den Kleinsignalanteil des Drain-Source-Stroms in eine Spannung um<br />
und verstärkt dieses Signal.<br />
Das Bad wird durch eine Silber-Chlorid-Elektrode auf konstantem Masse-Potential<br />
gehalten. Der Kontaktwi<strong>der</strong>stand zwischen Elektrode und Bad beträgt bei <strong>der</strong><br />
verwendeten Elekrode etwa 2,5KΩ. Der Wi<strong>der</strong>stand ist abhängig von <strong>der</strong> Oberfläche<br />
<strong>der</strong> Elektrode, die <strong>mit</strong> dem Elektrolyten in Kontakt steht. Die extrazelluläre<br />
Lösung Anhang v hat eine spezifischen Leitfähigkeit von 15,8mS/cm, so daß <strong>der</strong><br />
Wi<strong>der</strong>stand vernachlässigt werden kann. Die lokale extrazelluläre Spannung im<br />
U DS<br />
+<br />
IU-Umsetzer<br />
(Transimpedanzverstärker)<br />
Oszilloskop
<strong>Messung</strong>en <strong>der</strong> lokalen extrazellulären Spannung <strong>mit</strong> Feld-Effekt-Transistoren 31<br />
Arbeitspunkt <strong>der</strong> Transistoren<br />
Spalt V J zwischen Zelle und Gatebereich des Transistors entsteht durch den Spannungsabfall<br />
am Abdichtwi<strong>der</strong>stand (siehe Abb. 8: spezifischer Abdichtleitwert g J )<br />
zwischen <strong>der</strong> Zellmbran und <strong>der</strong> Substratoberfläche. Die lokale extrazelluläre Spannung<br />
bezieht sich so<strong>mit</strong> auf das Badpotential (Masse-Potential) und überlagert sich<br />
diesem Potential als Kleinsignalanteil. Der Drain-Anschluß wird durch einen Strom-<br />
Spannungs-Umsetzer (Transimpedanzverstärker) auf dem virtuellen festen Potential<br />
<strong>der</strong> Spannungsquelle U DG gehalten.<br />
Bei diesem Aufbau ist das Bad (Elektrolyt), das dem Gate <strong>der</strong> Transistoren entspricht,<br />
auf Masse-Potential gelegt. Diese ungewöhnliche Beschaltung ist notwendig,<br />
da das Bad <strong>mit</strong> einem Elektrolyten-Zu- und -Abfluß verbunden ist, <strong>der</strong> nur auf<br />
Masse-Potential liegen kann.<br />
3.2.Arbeitspunkt <strong>der</strong> Transistoren<br />
Großsignalbereich<br />
Bei den Transistoren handelt es sich um p-Kanal-Transistoren, so daß sie zu leiten<br />
beginnen, wenn <strong>der</strong> Source-Anschluß auf einem höheren Potential liegt als <strong>der</strong><br />
Gate- und Drain-Anschluß. Da das Gate (Bad) auf Masse-Potential liegt, muß an<br />
dem Source-Anschluß gegenüber Masse eine positive Spannung angelegt werden.<br />
Wird <strong>der</strong> Drain-Anschluß über den Operationsverstärker auch auf einem virtuellen<br />
Masse-Potential gehalten ( UDG = 0 ), befindet sich <strong>der</strong> Transistor <strong>mit</strong> USG = USD im<br />
Sättigungsbereich. Der Arbeitspunkt <strong>der</strong> Transistoren kann in den Triodenbereich<br />
wan<strong>der</strong>n, wenn auch <strong>der</strong> Drain-Anschluß auf ein positiveres Potential gegenüber<br />
Masse angehoben wird.<br />
Bei den durchgeführten <strong>Messung</strong>en wurde zur Vereinfachung ein Arbeitspunkt bei<br />
USG = USD gewählt, da in diesem Fall <strong>der</strong> Drain-Anschluß auf virtuellem Masse-<br />
Potential liegt und die Spannungsquelle wegfällt.<br />
Der Arbeitspunkt des Transistors kann <strong>mit</strong> den Spannungsquellen U SG und U DG<br />
eingestellt werden. Die Transistoren befinden sich im Sperrbereich für:<br />
UGS > UTH <strong>mit</strong> UTH < 0 bzw. (49)<br />
USG < UTH . (50)<br />
Für den Triodenbereich gilt:<br />
UGS < UTH und UDS > UGS – UTH bzw. (51)<br />
USG > UTH und UDG > – UTH <strong>mit</strong> UDS = UDG – USG . (52)<br />
Für den Sättigungsbereich gilt:<br />
U DG<br />
UGS < UTH und UDS < UGS – UTH bzw. (53)<br />
USG > UTH und UDG <<br />
– UTH . (54)<br />
Für den Drain-Source-Strom I DS im Großsignalbereich gelten die bekannten<br />
Zusammenhänge:
Kleinsignalbereich<br />
<strong>Messung</strong>en <strong>der</strong> lokalen extrazellulären Spannung <strong>mit</strong> Feld-Effekt-Transistoren 32<br />
Kleinsignalersatzschaltbild<br />
U DS<br />
IDS = – β⎛UGS – UTH – --------- ⎞UDS ⎝ 2 ⎠<br />
I DS<br />
β<br />
-- ( UGS – UTH) 2<br />
2<br />
= –<br />
W<br />
β = Kp---- L<br />
K p<br />
(Triodenbereich) (55)<br />
(Sättigungsbereich) (56)<br />
wird als Übertragungsleitwertparameter bezeichnet und ist eine transistorspezifische<br />
Kenngröße, W gibt die Weite und L die Länge des Kanalbereichs an.<br />
Die Än<strong>der</strong>ung des Drain-Source-Stroms I DS bei einer konstanten Drain-Source-<br />
Spannung U DS in Abhängigkeit von <strong>der</strong> Gate-Source-Spannung U GS ergibt sich aus<br />
<strong>der</strong> Ableitung <strong>der</strong> Gl.(55) und (56) nach U GS.<br />
∂IDS -------------<br />
∂UGS ∂IDS -------------<br />
∂UGS (57)<br />
(Triodenbereich) (58)<br />
(Sättigungsbereich) (59)<br />
Im Triodenbereich liegt eine lineare Abhängigkeit zwischen <strong>der</strong> Gate-Source-<br />
Spannung U GS und dem Drain-Source-Strom I DS vor, während im Sättigungsbereich<br />
eine nicht lineare Beziehung besteht.<br />
Im kleinen Aussteuerungsbereich können jedoch für einen festen Arbeitspunkt<br />
( UGS = UGSArb , UDS = UDSArb ) die Kennliniengleichungen linearisiert werden. Für<br />
den Übertragungsleitwert gm , <strong>der</strong> die Än<strong>der</strong>ung des Drain-Source-Stroms bei einer<br />
differentiellen Än<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> Spannung am Gate beschreibt, folgen analog <strong>der</strong><br />
Gl.(58) und (59) für den Trioden- bzw. Sättigungsbereich die Gl.(61) und (62).<br />
g m<br />
g m<br />
(60)<br />
(Triodenbereich) (61)<br />
(Sättigungsbereich) (62)<br />
Zur Realisierung einer hohen Kleinsignalverstärkung sollten die Transistoren in<br />
einem Arbeitspunkt <strong>mit</strong> einem möglichst großen Übertragungsleitwert gm betrieben<br />
werden. Bei <strong>der</strong> <strong>Messung</strong> von Spannungsän<strong>der</strong>ungen am Gate, <strong>der</strong>en Amplitude<br />
kleiner als 1mV ist, kann die Kleinsignallinearisierung durchgeführt werden. Es<br />
spielt so<strong>mit</strong> keine Rolle, ob <strong>der</strong> Arbeitspunkt im Trioden- o<strong>der</strong> Sättigungsbereich<br />
liegt. Bei den durchgeführten <strong>Messung</strong>en wurde für den Arbeitspunkt<br />
USG = USD =<br />
+2,5V gewählt.<br />
3.3.Kleinsignalersatzschaltbild<br />
U DS<br />
U DS<br />
∂IDS = -------------<br />
∂UGS = const<br />
= const<br />
U GS<br />
= – βUDSArb<br />
=<br />
– βUDS gm = – β( UGSArb – UTH) = – β( UGS – UTH) = UGSArb, UDS = UDSArb Das Kleinsignalverhalten <strong>der</strong> Transistoren kann durch das Kleinsignalersatzschaltbild<br />
<strong>der</strong> Abb. 15 beschrieben werden. Die Transistoren befinden sich in<br />
Sourceschaltung, d.h. Bulk- und Sourceanschluß sind <strong>mit</strong>einan<strong>der</strong> verbunden, so<br />
daß die Gate-Source-Kapazität C GS und Gate-Bulk-Kapazitäten C GB zusammengefaßt<br />
werden können. Der Drain-Source-Strom wird durch eine spannungsgesteuerte<br />
Stromquelle <strong>mit</strong> dem Übertragungsleitwert g m und <strong>der</strong> Ausgangsleitwert g d durch
<strong>Messung</strong>en <strong>der</strong> lokalen extrazellulären Spannung <strong>mit</strong> Feld-Effekt-Transistoren 33<br />
Kleinsignalersatzschaltbild<br />
einen parallelgeschalteten Wi<strong>der</strong>stand dargestellt. Die Drain-Bulk-Kapazität C DB<br />
wird durch die Diffusionskapazität zwischen dem Drain-Gebiet sowie <strong>der</strong> diffundierten<br />
Drainzuleitung und dem Bulk gebildet.<br />
S'<br />
C ZS<br />
R S<br />
G<br />
g d<br />
Abb. 15: Schematisch Darstellung des Kleinsignalersatzschaltbilds im Schnitt<br />
durch den Kanal eines EOS-Transistors. Die Drain- und Source-<br />
Anschlüsse liegen auf festem Potential, <strong>der</strong> Drain-Source-Strom kann<br />
<strong>mit</strong> einen IU-Umsetzer gemessen werden.<br />
Die Zuleitungswi<strong>der</strong>stände sind für Drain und Source <strong>mit</strong> R D und R S berücksichtigt.<br />
Zwischen den Zuleitungen und dem Elektrolyten <strong>mit</strong> festem Potential bilden<br />
sich über die isolierende Siliziumdioxidschicht (500nm) die Zuleitungskapazitäten<br />
C ZD und C ZS aus. Die Source- und Drain-Knoten direkt am Kanalgebiet werden <strong>mit</strong><br />
S und D bezeichnet, die Source- und Drain-Anschlüsse <strong>mit</strong> Berücksichtigung <strong>der</strong><br />
Zuleitungskapazitäten und Zuleitungswi<strong>der</strong>stände sind <strong>mit</strong> S’ und D’ benannt. Die<br />
Source- und Drain-Anschlüsse liegen jeweils auf festem Potential. Der Drain-<br />
Soure-Strom i D ist aber dennoch durch den IU-Umsetzer meßbar (Abb. 14).<br />
G<br />
C GS<br />
Zelle<br />
Abb. 16: Kleinsignalersatzschaltbild für die EOS-Transistoren ohne Berücksichtigung<br />
<strong>der</strong> Zuleitungswi<strong>der</strong>stände und Zuleitungskapazitäten.<br />
Zur Vereinfachung <strong>der</strong> Kleinsignalschaltung bleiben zunächst die Zuleitungswi<strong>der</strong>stände<br />
unberücksichtigt. In diesem Fall entspricht die lokale extrazelluläre<br />
Spannung im Spalt vJ <strong>der</strong> Spannung uGS zwischen Gate und Source des Transistors.<br />
Im Kleinsignalbereich führt eine Modulation von uGS zu einer linearen Modulation<br />
des Drain-Source-Stroms iD , die <strong>mit</strong> einem Transimpedanzverstärker (Abb.<br />
14) in eine Spannung umgesetzt wird. Werden die Zuleitungswi<strong>der</strong>stände nicht<br />
berücksichtigt, liegt <strong>der</strong> Drain- und Source-Knoten (D und S) auf festem Potential<br />
(Abb. 16) und es gilt im Kleinsignalersatzschaltbild uDS = 0 . Aus dem Kirchhoffschen-Gesetz<br />
folgt für den Drainknoten die Übertragungsfunktion Zjω ( ) .<br />
Zjω ( )<br />
i D<br />
u GS<br />
C GS +C GB<br />
= -------- =<br />
gm – jωCGD u GS<br />
u GD<br />
C GD<br />
S D<br />
C GD<br />
C DB<br />
D<br />
u DS<br />
S<br />
g d<br />
C DB<br />
g m u GS<br />
C ZD<br />
R D<br />
i D<br />
D'<br />
(63)
<strong>Messung</strong>en <strong>der</strong> lokalen extrazellulären Spannung <strong>mit</strong> Feld-Effekt-Transistoren 34<br />
Kleinsignalersatzschaltbild<br />
Es wird deutlich, daß <strong>mit</strong> steigen<strong>der</strong> Frequenz die Gate-Drain-Kapazität den<br />
Übertragungsleitwert dämpft.<br />
u J<br />
u GS<br />
G<br />
u GD<br />
C GS +C GB<br />
C GD<br />
C DB<br />
Abb. 17: Kleinsignalersatzschaltbild <strong>der</strong> EOS Transistoren <strong>mit</strong> Zuleitungswi<strong>der</strong>ständen<br />
R D , R S und <strong>der</strong> Zuleitungskapazitäten C ZD , C ZS . Die Zuleitungskapazitäten<br />
spielen aufgrund <strong>der</strong> langen Zuleitungen und <strong>der</strong><br />
dünnen Oxidschicht (500nm) eine wichtige Rolle.<br />
Die Zuleitungswi<strong>der</strong>stände R D und R S <strong>der</strong> verwendeten Transistoren liegen<br />
jeweils bei etwa 1KΩ und die Zuleitungskapazitäten C ZD und C ZS in <strong>der</strong> Größenordnung<br />
von 500pF (Kap. 5). Werden sie im Kleinsignalersatzschaltbild berücksichtigt,<br />
folgt für den Drain-Knoten (D) die Gl.(64).<br />
1<br />
gmuGS + u ⎛<br />
RD⎝<br />
------ + jωC ⎞<br />
ZD⎠<br />
+ uDS( gd + jωC DB)<br />
– uGDjωCGD = 0<br />
R D<br />
Die Drain-Source-Spannung U DS fällt über die Zuleitungswi<strong>der</strong>stände R D und R S<br />
ab und die Gate-Source-Spannung U GS setzt sich aus <strong>der</strong> Gate-Drain- und <strong>der</strong><br />
Drain-Source-Spannung zusammen.<br />
uDS = uRD – uRS uGS = uGD + uDS Für den Strom , <strong>der</strong> im IU-Umsetzer in eine Spannung umgesetzt wird gilt:<br />
u RD<br />
=<br />
– iDRD i D<br />
(64)<br />
(65)<br />
(66)<br />
. (67)<br />
Mit <strong>der</strong> Gleichung für den Masseknoten Gl.(68) folgt <strong>mit</strong> Gl.(67) für den Spannungsabfall<br />
am Sourcezuleitungswi<strong>der</strong>stand R S und Gl.(66) die Gl.(69).<br />
1<br />
iD – uRDjωC ZD – u ⎛<br />
RS ----- + jωC ⎞<br />
⎝ ZS + u<br />
⎠ GDjωCGD + uGSjωC GS = 0<br />
u RS<br />
=<br />
i d<br />
R S<br />
Aus Gl.(64), Gl.(65), Gl.(67) und Gl.(69) folgt die Übertragungsfunktion ZR( jω)<br />
.<br />
D<br />
u DS<br />
S<br />
g d<br />
C ZD<br />
C ZS<br />
RS + jωRS RD( CZD + CGD) jωR S( CGD + CGS) ----------------------------------------------------------------- + uGS----------------------------------------------------- 1 + jωRS ( CZS + CGD) 1 + jωRS ( CZS + CGD) g m u GS<br />
u RD<br />
R D<br />
R S<br />
u RS<br />
D'<br />
S'<br />
i D<br />
(68)<br />
(69)
<strong>Messung</strong>en <strong>der</strong> lokalen extrazellulären Spannung <strong>mit</strong> Feld-Effekt-Transistoren 35<br />
Rauschen von Feld-Effekt-Transistoren<br />
Die lokale extrazelluläre Spannung im Spalt uJ bezieht sich nun auf das feste<br />
Masse-Potential und nicht auf den Source-Knoten (S), so daß sich <strong>der</strong> Zusammenhang<br />
<strong>der</strong> Gl.(71) ergibt.<br />
Mit Gl.(69) kann nun die Übertragungsfunktion zwischen dem Drain-Strom id und<br />
<strong>der</strong> lokalen extrazellulären Spannung im Spalt uJ aufgestellt werden. Auf die explizite<br />
Darstellung <strong>der</strong> Übertragungsfunktion soll hier verzichtet werden. In Kap.5 wird<br />
eine numerische Simulation des Frequenzverhaltens <strong>der</strong> Transistoren durchgeführt.<br />
3.4.Rauschen von Feld-Effekt-Transistoren<br />
thermisches Rauschen<br />
ZR( jω)<br />
i d<br />
gm + jω[ RSgd( CGD + CGS) + RSgm ( CZS + CGD) – CGD] = -------- = ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------...<br />
uGS 1 + gd( RS + RD) + jω[R S( CZS + CDB + 2CGD) + RD( CZD + CDB + CGD) +ω<br />
...<br />
2 RS[ CGD( CZS + CGD) + ( CGD + CGS) ( CDB + CGD) ]<br />
+RSR Dgd( CZS + CZD + 2CGD)] ω 2 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------...<br />
+ [RSR D( CZS + CGD) ( CZD + CDB + CGD) ... ---------------------------------------------------------------------<br />
– ( CZD + CGD) ( CDB + CGD) uJ = uGS + uRS = ----------------- + uRS ZR( jω)<br />
i d<br />
Das Rauschen <strong>der</strong> Transistoren spielt bei kleinen Aussteuerungen <strong>der</strong> Gate-<br />
Source-Spannung eine sehr wichtige Rolle und begrenzt die Meßbarkeit von kleinen<br />
Signalen. Nähere Untersuchungen über das Rauschen <strong>der</strong> entwickelten EOS-<br />
Transistoren werden in <strong>der</strong> Diplomarbeit von D.Kim [30] durchgeführt. Dabei wird<br />
auch untersucht, ob <strong>der</strong> Elektrolyt, <strong>der</strong> das Gate <strong>der</strong> Transistoren bildet, einen<br />
beson<strong>der</strong>en Einfluß auf das Rauschverhalten hat.<br />
Bei MOS-Feld-Effekt-Transistoren wird das Rauschen hauptsächlich durch das<br />
thermische Rauschen <strong>der</strong> Bahnwi<strong>der</strong>stände (Zuleitungswi<strong>der</strong>stände) und des<br />
Kanals bestimmt.<br />
u J<br />
G<br />
C GS +C GB<br />
C GD<br />
C DB<br />
D<br />
S<br />
g d<br />
g m U GS<br />
Abb. 18: Rauschersatzschaltbild des Feld-Effekt-Transistors. Das thermische<br />
Rauschen des Kanals wird durch die Rauschstromquelle <strong>mit</strong> <strong>der</strong><br />
Spektralfunktion S i(f) und das thermische Rauschen <strong>der</strong> Bahnwi<strong>der</strong>stände<br />
durch zwei Rauschspannungsquellen <strong>mit</strong> den Spektralfunktionen<br />
S V,RD (f) und S V,RS (f) berücksichtigt.<br />
An jedem <strong>elektrischen</strong> Leiter <strong>mit</strong> dem Wi<strong>der</strong>stand R kann eine thermische<br />
Rauschspannung und als Folge davon ein Rauschstrom gemessen werden. Das<br />
thermische Rauschen wird auch als Nyquist, Johnson- o<strong>der</strong> weißes Rauschen<br />
C ZD<br />
C ZS<br />
S i (f)<br />
R D<br />
R S<br />
S V,RD (f)<br />
S V,RS (f)<br />
(70)<br />
(71)<br />
D'<br />
S'
<strong>Messung</strong>en <strong>der</strong> lokalen extrazellulären Spannung <strong>mit</strong> Feld-Effekt-Transistoren 36<br />
Rauschen von Feld-Effekt-Transistoren<br />
bezeichnet. Die Ursache dieses Rauschens ist die statistische Bewegung <strong>der</strong><br />
Ladungsträger im Leiter. Die thermische Rauschspannung kann <strong>mit</strong> <strong>der</strong> Spektralfunktion<br />
2<br />
Sv() f = 4kTR<br />
beschrieben werden, wobei k 138066 10 die Boltzmann-Konstante und T<br />
den Wert <strong>der</strong> absoluten Temperatur bezeichnet. gibt das <strong>mit</strong>tlere Rauschspannungsquadrat<br />
je Hertz Bandbreite an (Einheit: ). Der Effektivwert <strong>der</strong><br />
Rauschspannung <strong>mit</strong> den Frequenzanteilen im Intervall (Bandbreite B) ist<br />
dementsprechend:<br />
23 – = , ⋅ J/K<br />
2<br />
Sv() f<br />
V 2 Hz Vr [ f, f+ Δf]<br />
V r<br />
2<br />
vr f+ Δf<br />
Sv f<br />
2<br />
= = () f df<br />
=<br />
∫<br />
2<br />
Sv()B f<br />
(72)<br />
. (73)<br />
Ein Wi<strong>der</strong>stand von 1kΩ erzeugt bei Raumtemperatur auf einer Bandbreite von<br />
10kHz eine effektive Rauschspannung von = 400nV .<br />
Das Rauschen eines ohmschen Wi<strong>der</strong>stands kann entwe<strong>der</strong> durch eine Reihenschaltung<br />
von einem rauschfreien Wi<strong>der</strong>stand und einer Rauschspannungsquelle<br />
2<br />
<strong>mit</strong> <strong>der</strong> Spektralfunktion Sv() f o<strong>der</strong> einer Parallelschaltung eines rauschfreien<br />
2<br />
Wi<strong>der</strong>stands <strong>mit</strong> einer Rauschstromquelle <strong>mit</strong> <strong>der</strong> Spektralfunktion Si () f dargestellt<br />
werden.<br />
2<br />
Si () f<br />
2<br />
Si f<br />
=<br />
4kT<br />
---------<br />
R<br />
2<br />
() hat die Einheit A /Hz für den Effektivwert Ir des Rauschstroms folgt analog<br />
die Gl.(75).<br />
I r<br />
2<br />
ir f+ Δf<br />
Si f<br />
2<br />
= = () f df<br />
=<br />
∫<br />
S v (f)<br />
R<br />
2<br />
Si ()B f<br />
Abb. 19: Ersatzschaltbil<strong>der</strong> zur Modellierung des Rauschverhaltens eines<br />
ohmschen Wi<strong>der</strong>stands. Das Rauschverhalten kann entwe<strong>der</strong> durch<br />
Reihenschaltung eines rauschfreien Wi<strong>der</strong>stands <strong>mit</strong> einer Rauschspannungsquelle<br />
(links) o<strong>der</strong> durch Parallelschaltung eines rauschfreien<br />
Wi<strong>der</strong>stands <strong>mit</strong> einer Rauschstromquelle (rechts) dargestellt werden.<br />
2 2<br />
Die Spektralfunktionen Sv() f und Si ()<br />
f für das thermische Rauschen sind unabhängig<br />
von <strong>der</strong> Frequenz f. Da alle Spektralanteile im gleichen Maße zum Rauschen<br />
beitragen, wird das thermische Rauschen auch als „weißes Rauschen“<br />
bezeichnet.<br />
Bahnwi<strong>der</strong>stände Im Ersatzschaltbild <strong>der</strong> Abb. 18 wird das thermische Rauschen <strong>der</strong> Bahnwi<strong>der</strong>stände<br />
durch zwei Rauschspannungquellen <strong>mit</strong> den Spektralfunktionen<br />
S i (f)<br />
V r<br />
R<br />
(74)<br />
(75)
2<br />
SV, RD<br />
<strong>Messung</strong>en <strong>der</strong> lokalen extrazellulären Spannung <strong>mit</strong> Feld-Effekt-Transistoren 37<br />
Rauschen von Feld-Effekt-Transistoren<br />
() f = 4kTRD und SV, RS()<br />
f = 4kTRS (76)<br />
erfaßt. Abschätzungen und <strong>Messung</strong>en (Kap. 5.1) haben ergeben, daß auf dem<br />
verwendeten Sensor-Chip die Drain-Zuleitungswi<strong>der</strong>stände zu den Transistoren<br />
maximal RD = 1kΩ und die Source-Zuleitungswi<strong>der</strong>stände maximal RS = 02kΩ ,<br />
betragen. Die Spektralfunktion <strong>der</strong> thermische Rauschspannung für den Drain-<br />
Zuleitungswi<strong>der</strong>stand hat bei Zimmertemperatur ( T = 300K ) so<strong>mit</strong> den Wert:<br />
2<br />
SV, RD<br />
() f 4kTRD 16×10<br />
V . (77)<br />
2 = = , Hz<br />
Für die äquivalente Rauschstromquelle gilt:<br />
2<br />
Si, RD<br />
4kT<br />
() f = --------- = 16 , ×10<br />
R D<br />
2<br />
– 23<br />
– 17<br />
A<br />
. (78)<br />
2<br />
------<br />
Hz<br />
Kanal Das thermische Rauschen des stromführenden Kanals wird durch Parallelschal-<br />
2<br />
tung einer Rauschstromquelle Si () f berücksichtigt. Die Spektralfunktion für das<br />
Rauschen des Kanals gleicht <strong>der</strong> Spektralfunktion einer Rauschstromquelle für das<br />
thermische Rauschen eines Wi<strong>der</strong>standes, wobei G dem ohmschen Leitwert des<br />
Kanals entspricht.<br />
2<br />
Si () f = 4kTG<br />
Bei sehr kleinen Spannungen U DS - solange die Kanaleinschnürung vernachlässigbar<br />
klein ist - gilt für den ohmschen Leitwert des Kanals:<br />
G = μ<br />
W<br />
s----<br />
Q'n . (80)<br />
L<br />
μs ist die Beweglichkeit <strong>der</strong> Ladungsträger und Q'n die Flächenladungsdichte im<br />
Kanal. Mit zunehmen<strong>der</strong> Kanaleinschnürung wird die Beweglichkeit μs und die Flächenladungsdichte<br />
Q'n im Kanal ortsabhängig und es muß ein Mittelwert für den<br />
ohmschen Leitwert verwendet werden. Nach umfangreichen Rechnungen [5] folgt<br />
für die Spektralfunktion <strong>der</strong> Rauschstromquelle im Triodenbereich des Transistors<br />
die Gl.(81).<br />
αxUDS () = 4kTβ UGS – UTH – ---------------- + ------------------------------------------------------------------<br />
2 12( UGS – UTH – αxUDS /2)<br />
2<br />
Si f<br />
2 2<br />
αx UDS<br />
W<br />
γ<br />
<strong>mit</strong> β = μsc'ox---- und αx = 1 + --------------------------- . (82)<br />
L<br />
2 Φ – UBS γ ist <strong>der</strong> Substratstreufaktor und Φ das Oberflächenpotential beim Einsatz starker<br />
Inversion. Im Sättigungsbereich gilt:<br />
2<br />
Si f<br />
(79)<br />
(81)<br />
() 4kT<br />
2<br />
-- β( UGS – UTH) 4 . (83)<br />
3<br />
2<br />
= = -- kTgm 3<br />
2<br />
Das thermische Rauschen des Kanals Si () f im Sättigungsbereich ist proportional<br />
zum Übertragungsleitwert gm , so daß <strong>der</strong> Effektivwert des thermischen Rauschstromanteils<br />
proportional zu ist. Ein höherer Arbeitspunkt und so<strong>mit</strong> ein<br />
I r<br />
g m
<strong>Messung</strong>en <strong>der</strong> lokalen extrazellulären Spannung <strong>mit</strong> Feld-Effekt-Transistoren 38<br />
Rauschen von Feld-Effekt-Transistoren<br />
höherer Übertragungsleitwert gm verbessert also das Verhältnis zwischen dem<br />
Effektivwert des Signals und dem Effektivwert des thermischen Rauschstroms.<br />
Bei den durchgeführten <strong>Messung</strong>en wurden die Transistoren im Sättigungsbereich<br />
betrieben. Im gewählten Arbeitspunkt liegt bei den <strong>Messung</strong>en <strong>der</strong> Übertragungsleitwert<br />
in <strong>der</strong> Größenordnung von gm = 100μS (Kap. 5.1). Für das<br />
thermische Rauschen des Kanals folgt nach Gl. (83):<br />
2<br />
Si f<br />
2<br />
() = 4-- kTgm = 11 , ×10<br />
3<br />
– 24<br />
A<br />
. (84)<br />
2<br />
------<br />
Hz<br />
Schrotrauschen Der Ladungstransport über pn-Übergänge ist nicht kontinuierlich son<strong>der</strong>n erfolgt<br />
in Einheiten <strong>der</strong> Elementarladung . Das Rauschen, das durch den gequantelten<br />
Ladungstransport verursacht wird, bezeichnet man als Schrotrauschen. Für kleine<br />
Frequenzen ( ) 1 e<br />
f « 1/tf ist das Schrotrauschen näherungsweise frequenzunabhängig.<br />
2<br />
Si () f ≈ 2eI<br />
Im eingestellten Arbeitspunkt <strong>der</strong> Transistoren fließt ein Strom in <strong>der</strong> Größenordnung<br />
von I = 100μA . Für das Schrotrauschen ergibt sich für die Spektralfunktion<br />
<strong>der</strong> Wert<br />
2<br />
Si f<br />
() ≈ 2eI ≈ 32 , ×10<br />
– 23<br />
(85)<br />
A<br />
. (86)<br />
2<br />
------<br />
Hz<br />
Für den Effektivwert des Rauschstroms im Frequenzintervall Δf<br />
gilt entsprechend<br />
Gl.(75):<br />
I r<br />
2<br />
ir = =<br />
2eIΔf Mit steigendem Drain-Source-Strom I steigt <strong>der</strong> Effektivwert des Rauschstroms<br />
Ir nur <strong>mit</strong> <strong>der</strong> Wurzel an, so daß bezüglich des Schrotrauschens ein hoher Arbeitspunkt<br />
des Transistors sinnvoll erscheint.<br />
1/f-Rauschen Das 1/f-Rauschen dominiert das Rauschverhalten in Bereichen niedriger Frequenzen,<br />
während das thermische Rauschen und das Schrotrauschen erst bei steigenden<br />
Frequenzen immer mehr an Bedeutung gewinnt. Das 1/f-Rauschen wird<br />
durch die Generation und Rekombination von Ladungsträgern in Sperrschichten<br />
und durch Schwankungen <strong>der</strong> Oxidladungen hervorgerufen. Die Spektralfunktion<br />
wird durch Gl.(88) beschrieben, wobei KF und AF experimentell zu bestimmende<br />
Parameter sind und I/A die Stromdichte durch die Raumladungszone beschreibt.<br />
2<br />
Si () f<br />
⎛I -- ⎞<br />
⎝A⎠ AFKF = -----f<br />
Die Größenordnung des 1/f-Rauschens <strong>der</strong> verwendeten Transistoren kann vorläufig<br />
nicht abgeschätzt werden, da keine Werte für die Faktoren KF und AF vorliegen.<br />
Aufschluß darüber kann erst eine Rauschmessung <strong>der</strong> Transistoren erbringen.<br />
Das thermische Rauschen <strong>der</strong> Bahnwi<strong>der</strong>stände und das Schrotrauschen des pn-<br />
Übergangs liegen etwa eine Größenordnung über dem Rauschen des Kanals. Auf<br />
1 Die Größe tf bezeichnet die Zeit, die die Ladungsträger zum Durchlaufen <strong>der</strong> Sperrschicht benötigen. t f<br />
liegt im allgemeinen in <strong>der</strong> Größenordnung von Pikosekunden.<br />
(87)<br />
(88)
<strong>Messung</strong>en <strong>der</strong> lokalen extrazellulären Spannung <strong>mit</strong> Feld-Effekt-Transistoren 39<br />
Rauschen von Feld-Effekt-Transistoren<br />
einer Bandbreite von B = 10kHz ergibt sich bei einer Spektralfunktion von<br />
2 – 23<br />
() f 5×10<br />
A ein Effektivwert des Rauschstroms von<br />
2 = /Hz<br />
S i<br />
I r<br />
2<br />
= ()B f = 07nA , . (89)<br />
S i<br />
Es wird bei den <strong>Messung</strong>en erwartet, daß <strong>der</strong> Ablauf eines Aktionspotentials über<br />
dem Gate-Bereich <strong>der</strong> Transistoren eine Spannungsän<strong>der</strong>ung in <strong>der</strong> Größenordnung<br />
von 0,1mV hervorruft. Bei dem vorgesehenen Arbeitspunkt führt diese Spannungsän<strong>der</strong>ung<br />
zu einer Än<strong>der</strong>ung des Drain-Source-Stroms unter 10nA. Ein<br />
Effektivwert des Rauschstroms von Ir =<br />
07nA , kann die Messergebnisse deutlich<br />
beeinträchtigen.
4. Strom-Spannungs-Umsetzer<br />
Transimpedanzverstärker<br />
Strom-Spannungs-Umsetzer 40<br />
Dynamisches Verhalten des IU-Umsetzers<br />
Eine Än<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> Spannung im Elektrolyten über dem Gateoxid <strong>der</strong> EOS-Transistoren<br />
führt bei einem fest eingestellten Arbeitspunkt zu einer Modulation des<br />
Drain-Source-Stroms (Gl.(55) bzw. Gl.(56)). Gemäß <strong>der</strong> Meßanordnung in Abb. 14<br />
bedeutet eine Än<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> lokalen extrazellulären Spannung eine Än<strong>der</strong>ung <strong>der</strong><br />
Gate-Source-Spannung. Die lokale extrazelluläre Spannung im Gate-Bereich <strong>der</strong><br />
Transistoren liegt günstigstenfalls in <strong>der</strong> Größenordnung von 0,1mV (Abb. 9), so<br />
daß sich die Modulation des Drain-Source-Stroms bei einem Übertragungsleitwert<br />
von gm = 100μS (Transistor 3) im Arbeitspunkt UDS = UGS = 25V , unter 10 nA<br />
abspielt. In diesem Arbeitspunkt fließt ein Drain-Source-Strom von etwa<br />
IDS = 100μA . Zur <strong>Messung</strong> <strong>der</strong> Modulation des Drain-Source-Stroms muß aus dem<br />
gesamten Strom <strong>der</strong> Kleinsignalanteil herausgefiltert und in eine Spannung umgesetzt<br />
werden.<br />
Ein Strom-Spannungs-Umsetzer wird auch als Transimpedanzverstärker bezeichnet<br />
und entspricht einer stromgesteuerten Spannungsquelle <strong>mit</strong> einer Übertragungsfunktion<br />
Zc . Im Idealfall hat die Übertragungsfunktion keinen Imaginärteil, so<br />
daß die Bandbreite unendlich groß ist. Der Eingangs- und Ausgangswi<strong>der</strong>stand des<br />
Verstärkers ist idealerweise unendlich klein.<br />
Abb. 20: Strom-Spannungs-Umsetzer (Transimpedanzverstärker) <strong>mit</strong> <strong>der</strong><br />
Übertragungsfunktion Zc , dem Eingangswi<strong>der</strong>stand Ri und dem<br />
Ausgangswi<strong>der</strong>stand Ra . Im Idealfall hat Zc keinen Imaginärteil und<br />
Eingangs- sowie Ausgangswi<strong>der</strong>stand sind Null.<br />
Bei einem realen Strom-Spannungs-Umsetzer können diese Anfor<strong>der</strong>ungen nur in<br />
einer beschränkten Bandbreite ausreichend erfüllt werden. Mit zunehmenden Frequenzen<br />
spielen parasitäre Kapazitäten eine immer wichtigere Rolle und verschlechtern<br />
die dynamischen Eigenschaften des Umsetzers. Das Eingangssignal<br />
wird an mehreren Stellen <strong>mit</strong> Rauschsignalen überlagert.<br />
Im folgenden wird zunächst in Kap. 4.1 das dynamische Verhalten des beschalteten<br />
Operationsverstärkers beschrieben, <strong>der</strong> als Strom-Spannungs-Umsetzer verwendet<br />
wird. Kap. 4.2 führt anschließend in die Grundlagen zur Berechnung des<br />
Rauschverhaltens von Operationsverstärkern ein. In Kap. 4.3 werden schließlich<br />
mehrere Möglichkeiten dargestellt, um den Kleinsignalanteil von dem gesamten<br />
Signal zu trennen und es wird das Rauschverhalten <strong>der</strong> verschiedenen Schaltungsvarianten<br />
untersucht.<br />
4.1.Dynamisches Verhalten des IU-Umsetzers<br />
i i<br />
R i<br />
Am Ausgang eines Operationsverstärkers stellt sich eine Spannung ein, die durch<br />
die Differenz <strong>der</strong> Eingangsspannungen am nichtinvertierenden und invertierenden<br />
Eingang des Operationsverstärkers bestimmt wird.<br />
Z c i i<br />
R a
uout = Ad U + – U- A d<br />
( )<br />
Strom-Spannungs-Umsetzer 41<br />
Dynamisches Verhalten des IU-Umsetzers<br />
ist die Leerlaufverstärkung (Open-Loop-Gain) und liegt normalerweise bei<br />
Werten zwischen 10 3 und 10 6 . Die Ausgangsspannung uout folgt jedoch nur <strong>mit</strong><br />
einer Zeitverzögerung <strong>der</strong> Eingangsspannungsdifferenz. Dieses Verhalten wird<br />
durch das Gain-Bandwidth-Product fA bzw. ωA eines Operationsverstärkers charakterisiert.<br />
duout ------------ = ωA( U + – U-) dt<br />
ω A<br />
=<br />
2πf A<br />
Die Abb. 21 zeigt einen Operationsverstärker, <strong>der</strong> <strong>mit</strong> dem Rückkopplungswi<strong>der</strong>stand<br />
beschaltet ist. stellt die Rückkopplungskapazität dar, die sich aus <strong>der</strong><br />
Summe <strong>der</strong> parasitären Kapazität des Rückkopplungswi<strong>der</strong>standes 2 und einer parallel<br />
geschalteten Kapazität ergibt. Durch Vergrößerung <strong>der</strong> Kapazität im Rückkopplungszweig<br />
kann die Stabilität des Operationsverstärkers erhöht und die<br />
Bandbreite eingeschränkt werden. ist die parasitäre Eingangskapazität, in <strong>der</strong><br />
alle Kapazitäten am Eingang des Verstärkers zusammengefaßt sind 3 Rf Cf Cin .<br />
i in<br />
(1)<br />
uin Cin uout<br />
Abb. 21: Operationsverstärker als IU-Umsetzer <strong>mit</strong> dem Rückkopplungswi<strong>der</strong>stand<br />
Rf , <strong>der</strong> Rückkopplungskapazität Cf und <strong>der</strong> parasitären Eingangskapazität<br />
Cin . Die Rückkopplungskapazität Cf ist zum Teil als<br />
parasitäre Kapazität im Wi<strong>der</strong>stand Rf enthalten, eine zusätzliche<br />
Kapazität erhöht die Stabilität <strong>der</strong> Schaltung.<br />
C f<br />
Bei kleinen Frequenzen stellt sich am Operationsverstärker die Ausgangsspannung<br />
so ein, daß die Eingangsspannungsdifferenz Null wird und <strong>der</strong> Eingangsstrom<br />
über den Rückkopplungswi<strong>der</strong>stand abfließt. Durch die Größe<br />
von wird <strong>der</strong> Skalierungsfaktor zwischen Strom und resultieren<strong>der</strong> Spannung<br />
bestimmt. Die Eingangsströme in den Operationsverstärken liegen bei Operationsverstärkern<br />
<strong>mit</strong> Feld-Effekt-Transistoren an den Eingängen in <strong>der</strong> Größenordnung<br />
von 10-14 uout uin iin Rf Rf A und können vernachlässigt werden.<br />
Z c<br />
Die Übertragungsfunktion des IU-Umsetzers läßt sich im Frequenzbereich aus<br />
<strong>der</strong> Summe <strong>der</strong> Ströme im Knoten (1) <strong>der</strong> Abb. 21 berechnen (Gl.(94)). Dabei<br />
bestimmt das Gain-Bandwidth-Product des Operationsverstärkers gemäß Gl.(93)<br />
f A<br />
2 Die parasitären Kapazitäten des Rückkopplungswi<strong>der</strong>standes spielen bei sehr hohen Wi<strong>der</strong>ständen<br />
eine immer wichtigere Rolle.<br />
3 Die Eingangskapazität bei den verwendeten EOS-Transistoren wird durch die sehr hohe Zuleitungskapazität<br />
bestimmt, sie liegen in <strong>der</strong> Größenordnung von 100pF.<br />
+<br />
u f<br />
C f<br />
R f<br />
(90)<br />
(91)<br />
(92)
Strom-Spannungs-Umsetzer 42<br />
Dynamisches Verhalten des IU-Umsetzers<br />
den Zusammenhang zwischen Ausgangsspannung uout und <strong>der</strong> Differenzspannung<br />
am Eingang des Operationsverstärkers.<br />
u in<br />
u out<br />
= – -------u<br />
1<br />
<strong>mit</strong> und . (93)<br />
sτ in τA = ------<br />
1<br />
= -----------<br />
1<br />
s = jω<br />
A<br />
ωA 2πfA 1<br />
iin – uinsCin + u ⎛<br />
f⎝<br />
---- + sC ⎞<br />
f⎠<br />
= 0<br />
R f<br />
Z c<br />
Als Übertragungsfunktion des IU-Umsetzers folgt:<br />
Zc( s)<br />
u out<br />
R f<br />
--------iin<br />
τARf Cts 2<br />
= = ------------------------------------------------------------- = RfTs ( )<br />
+ ( + )s+ 1<br />
τ A τ f<br />
(94)<br />
<strong>mit</strong> (95)<br />
uin = uout – uf , Ct = Cin + Cf und τf = RfCf . (96)<br />
Ts ( ) ist eine dimensionslose Übertragungsfunktion und kann <strong>mit</strong> zwei in Reihe<br />
geschalteten Tiefpaßfiltern <strong>mit</strong> den Eckfrequenzen f1 ( 2πτ1) und<br />
verglichen werden.<br />
1 –<br />
= f2 ( 2πτ2) 1 –<br />
=<br />
Ts ( )<br />
1<br />
= -------------------------------------------<br />
( τ1s + 1)τ<br />
( 2s + 1)<br />
Ist « , so sind für die Eckfrequenzen folgende Näherungen gültig:<br />
τ1 ≅ τf τ A τ f<br />
τ2 ≅ ---- τA relative Amplitude<br />
C t<br />
C f<br />
1<br />
0,1<br />
0,01<br />
1E-3<br />
f 1<br />
(97)<br />
(98)<br />
(99)<br />
100 1k 10k 100k 1M 10M<br />
Frequenz [Hz]<br />
ξ=0,2<br />
ξ=1<br />
ξ=5<br />
ξ=10<br />
ξ=0,5<br />
f 2
Strom-Spannungs-Umsetzer 43<br />
Dynamisches Verhalten des IU-Umsetzers<br />
Abb. 22: Amplitudenfrequenzgang eines gemäß Abb. 21 beschalteten Operationsverstärkers<br />
<strong>mit</strong> einem Rückkopplungswi<strong>der</strong>stand von Rf = 1MΩ und<br />
einer Eingangskapazität von Cin = 100pF für unterschiedliche Werte<br />
<strong>der</strong> Dämpfungskonstanten ζ . Das Gain-Bandwidth Product des Operationsverstärkers<br />
(AD745) beträgt fA = 20MHz ( τA = 8ns ), die Zeitkonstante<br />
τ0 beträgt τ0 = 09μs , .<br />
Zur Verbesserung <strong>der</strong> Frequenzantwort des IU-Umsetzers kann nun versucht<br />
werden, die Knickfrequenz f1 zu vergrößern bzw. die Zeitkonstante des Rückkopplungszweigs<br />
τf zu verkleinern. Dies kann durch eine Verkleinerung <strong>der</strong> Rückkopplungskapazität<br />
Cf erreicht werden, wobei aber gemäß Gl.(99) die Zeitkonstante τ2 vergrößert wird und sich die zweite Knickfrequenz f2 zu kleineren Frequenzen verschiebt.<br />
Liegen die beiden Zeitkonstanten τ1 und τ2 in vergleichbaren Größenordnungen,<br />
ist die Näherung <strong>der</strong> Gl.(98) und (99) nicht mehr anwendbar und es muß<br />
für die Übertragungsfunktion Ts ( ) die Gleichung für einen gedämpften harmonischen<br />
Oszillator angesetzt werden.<br />
Ts ( )<br />
1<br />
= ----------------------------------------<br />
2 2<br />
τ0s + 2ζτ0s + 1<br />
(100)<br />
Die Parameter τ0 und ξ können durch einen Koeffizientenvergleich <strong>mit</strong> Gl.(95)<br />
bestimmt werden. ξ ist die Dämpfungskonstante eines harmonischen Oszillators.<br />
τ0 =<br />
τ A R f C t<br />
ζ<br />
1<br />
--<br />
2<br />
τA + τf = --------------τ0<br />
(101)<br />
(102)<br />
Wird die Kapazität im Rückkopplungszweig Cf unter einen bestimmten Punkt verkleinert,<br />
erhöht sich die Bandbreite des IU-Umsetzers nicht mehr. Es tritt vielmehr<br />
ein Resonanzfall ein ( ζ « 1 ). Abb. 23 zeigt die Sprungantwort des IU-Umsetzers bei<br />
verschiedenen Dämpfungskonstanten ξ<br />
.
ξ=1<br />
ξ=0,2<br />
Strom-Spannungs-Umsetzer 44<br />
Dynamisches Verhalten des IU-Umsetzers<br />
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04<br />
ξ=0,5<br />
ξ=1<br />
t [ms]<br />
0,00 0,01 0,02 0,03 0,04<br />
t [ms]<br />
Abb. 23: Antwort im Zeitbereich auf eine Sprungfunktion <strong>mit</strong> unterschiedlichen<br />
Werten <strong>der</strong> Dämpfungskonstanten ζ . Für Werte ζ < 1 kommt es zu<br />
einem Überschwingen des Signals.<br />
Um eine resonanzfreie Strom-Spannungs-Umsetzung zu erreichen, sollte die<br />
Rückkopplungskapazität Cf so gewählt werden, daß eine Dämpfungskonstante ζ<br />
kleiner 1 vorliegt. Bei einer Eingangskapazität von Cin = 100pF am IU-Umsetzter,<br />
einem Rückkopplungswi<strong>der</strong>stand von Rf = 10kΩ bzw. Rf = 1MΩ und einem Gain-<br />
Bandwidth-Product fA = 20MHz ( τA = 8ns ) muß eine Kapazität von Cf = 18pF bzw.<br />
Cf = 18pF , zum Rückkopplungswi<strong>der</strong>stand parallel geschaltet werden, um eine<br />
Dämpfungskonstante von ζ = 1 zu erreichen. Je höher die Verstärkung des Operationsverstärkers<br />
<strong>mit</strong> dem Rückkopplungswi<strong>der</strong>stand Rf eingestellt wird, desto stabiler<br />
arbeitet <strong>der</strong> Operationsverstärker.<br />
ξ=5<br />
ξ=10
4.2.Rauschen von Operationsverstärkern<br />
Strom-Spannungs-Umsetzer 45<br />
Rauschen von Operationsverstärkern<br />
Das Rauschen von Operationsverstärkern wird durch äquivalente Rauschspannungs-<br />
und Rauschstromquellen an den differentiellen Eingängen in den Datenblättern<br />
spezifiziert. Svn1 und Svn2 sind die Spektralfunktionen von<br />
Rauschspannungsquellen, Sin1 und Sin2 sind die Spektralfunktionen von Rauschstromquellen,<br />
<strong>mit</strong> denen das Rauschen des Operationsverstärkers gemäß Abb. 24<br />
modelliert werden kann.<br />
S vn1<br />
S vn2<br />
S in1<br />
S in2<br />
-<br />
+<br />
Abb. 24: Rauschmodell eines Operationsverstärkers. und sind Rauschspannungsquellen,<br />
Sin1 und Sin2 sind Rauschstromquellen, die das<br />
Rauschen des Operationsverstärkers am invertierenden bzw. nichtinvertierenden<br />
Eingang wi<strong>der</strong>spiegeln.<br />
In den Datenblättern von Operationsverstärkern wird in <strong>der</strong> Regel für die Rauschspannungsquellen<br />
Svn1 und Svn2 die <strong>mit</strong>tlere Wurzel <strong>der</strong> Summe <strong>der</strong> Quadrate<br />
(rms) Svn angegeben. Die Angabe bezüglich <strong>der</strong> Rauschstromquellen Sin bezieht<br />
sich auf die Rauschstromquelle und an jedem Eingang.<br />
S vn<br />
=<br />
2<br />
Svn1 2<br />
Svn2 ( + )<br />
Sin = Sin1 =<br />
Sin2 S in1<br />
S in2<br />
S vn1<br />
S vn2<br />
(103)<br />
(104)
Strom-Spannungs-Umsetzer 46<br />
Rauschen von Operationsverstärkern<br />
Abb. 25: Spektralfunktionen für die äquivalente Rauschspannungsquelle Svn (oben) und die äquivalenten Rauschstromquellen Sin1 =<br />
Sin2 (unten) des<br />
Operationsverstärkers AD745 [Auszug aus den Datenblättern].<br />
Zur Berechnung einer äquivalenten Rauschspannungsquelle, die das Rauschen<br />
am Ausgang eines rückgekoppelten Operationsverstärkers wi<strong>der</strong>spiegelt, muß das<br />
thermische Rauschen <strong>der</strong> Wi<strong>der</strong>stände berücksichtigt werden. Das thermische Rauschen<br />
eines Wi<strong>der</strong>stands kann gemäß Gl.(72) durch eine Reihenschaltung eines<br />
rauschfreien Wi<strong>der</strong>stands <strong>mit</strong> einer Rauschspannungsquelle modelliert werden. Wie<br />
es in Abb. 27 gezeigt ist, werden zur Berechnung des Ersatzschaltbilds zunächst<br />
die Rauschquellen durch einfache Signalquellen ersetzt. Anschließend wird die<br />
Gleichung quadriert und es werden die Quadrate <strong>der</strong> Signalquellen durch die korrespondierenden<br />
Rauschquellen ersetzt. Die Mischterme, die sich bei <strong>der</strong> Quadrierung<br />
ergeben, fallen weg, da zwischen den Rauschquellen keine Korrelation<br />
besteht [27].
R 1<br />
S vt1<br />
S vn1<br />
S vn2<br />
S in1<br />
S in2<br />
Strom-Spannungs-Umsetzer 47<br />
Rauschen von Operationsverstärkern<br />
Abb. 26: Rauschquellenersatzschaltbild für die Verschaltung eines Operationsverstärkers<br />
<strong>mit</strong> negativer Rückkopplung. Der nichtinvertierende Eingang<br />
des Operationsverstärkers liegt auf festem Potential. Das thermische<br />
Rauschen <strong>der</strong> Wi<strong>der</strong>stände wird <strong>mit</strong> den Rauschspannungsquellen Svt1 und berücksichtigt.<br />
S vt2<br />
R 1<br />
U t1<br />
U 1<br />
U 2<br />
Abb. 27: Die Rauschquellen <strong>der</strong> Abb. 26 sind durch Spannungs- bzw. Stromquellen<br />
zur Berechnung des Ersatzschaltbilds ersetzt.<br />
Für eine sehr große Leerlauf-Differenzverstärkung (open loop gain) des Operationsverstärkers<br />
gilt<br />
U n<br />
U in<br />
I in<br />
I in +I 1<br />
I 1<br />
I 2<br />
U n<br />
U p<br />
, (105)<br />
so daß die Schaltung (Abb. 27) durch folgende drei Gleichungen beschrieben<br />
wird:<br />
U p<br />
=<br />
=<br />
U p<br />
U 2<br />
Un = U1 + Ut1 – IinR1 + Uin U0 =<br />
R 2<br />
-<br />
+<br />
R 2<br />
-<br />
+<br />
(106)<br />
(107)<br />
( + ) + – + Uin . (108)<br />
– Ut2 – R2 Iin I1 Ut1 IinR1 S vt2<br />
U t2<br />
U o
äquivalentes Ausgangsrauschen<br />
äquivalentes Eingangsrauschen<br />
Rauschen des IU-<br />
Umsetzers<br />
Strom-Spannungs-Umsetzer 48<br />
Rauschen von Operationsverstärkern<br />
Durch Kombination und Vereinfachung <strong>der</strong> Gleichungen (106) bis (108) ergibt<br />
sich für die Ausgangsspannung U0 am Operationsverstärker die Gl.(109).<br />
U0 1 R ⎛ 2<br />
+ ----- ⎞( U2 – U<br />
⎝ R ⎠ 1)<br />
1<br />
R2 =<br />
– ----- ( Uin – Ut1) – Ut2 – I1R2 R1 (109)<br />
Die Signalquellen in Gl.(109) können nach Quadrierung <strong>der</strong> gesamten Gleichung<br />
durch die korrespondierenden Rauschquellen (Abb. 26) ersetzt werden. Da zwischen<br />
den Rauschquellen keine Korrelation besteht, fallen die Mischterme weg. Für<br />
eine äquivalente Rauschquelle am Ausgang <strong>der</strong> Schaltung, die das Rauschen <strong>der</strong><br />
gesamten Schaltung repräsentiert, gilt:<br />
2<br />
Svno 1 R ⎛ 2<br />
+ ----- ⎞<br />
⎝ R ⎠<br />
1<br />
2<br />
2 2 R2 ( Svn1 + Svn2) ⎛----- ⎞<br />
⎝R⎠ 1<br />
2<br />
2 2<br />
=<br />
+ Svt1 + Svt2 +<br />
Mit Gl.(103) und Gl.(104) folgt:<br />
2<br />
Svno 1 R ⎛ 2<br />
+ ----- ⎞<br />
⎝ R ⎠<br />
1<br />
2<br />
=<br />
2<br />
Svn ⎛<br />
R2 ----- ⎞<br />
⎝R⎠ 1<br />
2<br />
2 2<br />
+ Svt1 + Svt2 +<br />
2 2<br />
SinR2 2 2<br />
Sin1R2 . (110)<br />
. (111)<br />
2<br />
Svno Die Gl.(111) zeigt, aus welchen Anteilen sich das Rauschen am Ausgang <strong>der</strong><br />
Schaltung zusammensetzt. Die beiden äquivalenten Eingangsspannungsrausch-<br />
2<br />
2<br />
quellen Svn1 und Svn2 des Operationsverstärkers liegen am Ausgang <strong>mit</strong> dem Quadrat<br />
des nichtinvertierenden Verstärkungsfaktors ( 1 + R2 /R1) an. Das thermische<br />
Rauschen des Wi<strong>der</strong>stands wird <strong>mit</strong> dem Quadrat des Verstärkungsfaktors<br />
übertragen, während das Rauschen des Wi<strong>der</strong>stands und <strong>der</strong> Eingangsrauschstromquelle<br />
ohne einen Verstärkungsfaktor zum gesamten Rauschen<br />
beiträgt.<br />
Wird die Gl.(111) durch dividiert, ergibt sich das Quadrat <strong>der</strong> Spektralfunktion<br />
für eine äquivalente Eingangsrauschquelle <strong>der</strong> Schaltung:<br />
2<br />
R1 ( R2 /R1) 2<br />
R2 2<br />
Sin 2<br />
Svno ( R2 /R1) 2<br />
2<br />
Svni 1 R ⎛ 1<br />
+ ----- ⎞<br />
⎝ R ⎠<br />
2<br />
2<br />
=<br />
2 2<br />
R1<br />
2<br />
Svn 2<br />
2Svt2 2<br />
Svt1 2 2<br />
Sit2R1 + + +<br />
2 2<br />
SinR1 (112)<br />
<strong>mit</strong> Sit2 = R1-------- . (113)<br />
2<br />
R2 Die äquivalente Eingangsrauschquelle repräsentiert das Rauschen <strong>der</strong> gesamten<br />
Schaltung am Eingang. Der Effektivwert <strong>der</strong> äquivalenten Eingangsrauschspannung<br />
liegt am Ausgang um den Faktor ( R2 /R1) verstärkt vor.<br />
Wird <strong>der</strong> Operationsverstärker als IU-Umsetzer (Abb. 21) betrieben, kann im<br />
Ersatzschaltbild am invertierenden Eingang eine zusätzliche Rauschstromquelle<br />
eingesetzt werden, die das Eingangsrauschen <strong>mit</strong> <strong>der</strong> Spektralfunktion Siin am IU-<br />
Umsetzer wi<strong>der</strong>spiegelt. Mit dieser Rauschquelle kann z.B. das Rauschen des<br />
EOS-Transistors simuliert werden. Der tatsächliche Eingangsstrom in den IU-<br />
Umsetzer muß nicht berücksichtigt werden, da das thermische Rauschen <strong>der</strong><br />
Wi<strong>der</strong>stände und das Rauschen des Operationsverstärkers vom Stromfluß unabhängig<br />
ist.
S iin<br />
S vn1<br />
S vn2<br />
S in1<br />
S in2<br />
Strom-Spannungs-Umsetzer 49<br />
Rauschen von Operationsverstärkern<br />
Abb. 28: Rauschquellenersatzschaltbild für einen Operationsverstärker, <strong>der</strong> als<br />
IU-Umsetzer betrieben wird. Das Eingangsrauschen wird durch die<br />
Rauschstromquelle modelliert.<br />
I in<br />
U 1<br />
U 2<br />
I in +I 1<br />
S iin<br />
I 1<br />
I 2<br />
U n<br />
U p<br />
-<br />
+<br />
Abb. 29: Die Rauschquellen <strong>der</strong> Abb. 28 sind durch Spannungs- und Stromquellen<br />
ersetzt.<br />
R 2<br />
-<br />
R 2<br />
+<br />
Zur Berechnung einer äquivalenten Rauschquelle am Ausgang <strong>der</strong> Schaltung<br />
werden die Rauschquellen wie<strong>der</strong> durch Signalquellen ersetzt und es wird die Ausgangsspannung<br />
Uo in Abhängigkeit <strong>der</strong> Signalquellen berechnet. Für einen idealen<br />
Operationsverstärker <strong>mit</strong> unendlich großer Differenzverstärkung gilt: Un es ergeben sich aus <strong>der</strong> Abb. 29 die Gleichungen (114) bis (116).<br />
= Up und<br />
U p<br />
=<br />
U 2<br />
Un = U1 Iin + I1 + ( )R2+ Ut2 + Uo Uo = U2 – U1 IinR2 – – I1R2 – Ut2 2<br />
Svno (114)<br />
(115)<br />
(116)<br />
Für die Spektralfunktion <strong>der</strong> äquivalenten Rauschquelle am Ausgang des IU-<br />
Umsetzers gilt (analog zu Gl.(110)):<br />
U t2<br />
S vt2<br />
U o
2<br />
Svno =<br />
2<br />
Svt2 2<br />
Svn1 2<br />
Svn2 2 2<br />
SiinR2 2 2<br />
Sin1R2 + + + +<br />
2 2<br />
Sit2R2 2<br />
Svt2 Strom-Spannungs-Umsetzer 50<br />
Rauschen von Operationsverstärkern<br />
. (117)<br />
Mit = und Gl.(103) und Gl.(104) folgt: (118)<br />
2<br />
Svno =<br />
2<br />
Svn 2<br />
Siin 2<br />
Sin 2<br />
Sit2 + ( + + )R2 2<br />
2<br />
(119)<br />
Wird die Gl.(119) durch R2 dividiert, erhält man das äquivalente Eingangsrau-<br />
2<br />
schen des IU-Umsetzters.<br />
S ini<br />
2<br />
S<br />
1 2<br />
ini =<br />
2<br />
R2 ----- Svn +<br />
2<br />
Siin 2<br />
Sin + +<br />
2<br />
Sit2 (120)<br />
Die äquivalente Eingangsrauschquelle ist eine Rauschquelle, die das<br />
gesamte Rauschen <strong>der</strong> Schaltung am Eingang des Operationsverstärkers repräsen-<br />
2<br />
tiert. Das Rauschen <strong>der</strong> äquivalenten Eingangsrauschquelle Sini wird in einer<br />
rauschfreien Schaltung in eine Spannung umgesetzt und liegt am Ausgang in gleicher<br />
Weise wie ein Eingangssignal verstärkt vor.<br />
2<br />
Sini Das äquivalente Eingangsrauschen wird umsokleiner, je größer <strong>der</strong> Rückkopplungswi<strong>der</strong>stand<br />
R2 gewählt wird. So<strong>mit</strong> wird das Verhältnis zwischen Aus-<br />
2<br />
2<br />
gangsrauschen Svno und Eingangsrauschen Siin des Transistors <strong>mit</strong> steigendem<br />
2<br />
Wi<strong>der</strong>stand R2 immer günstiger. Dies ist plausibel, da das Spannungsrauschen Svn des Operationsverstärkers im Gegensatz zu den an<strong>der</strong>en Rauschquellen nicht <strong>mit</strong><br />
dem Wi<strong>der</strong>stand R2 verstärkt wird, so daß bei höheren Verstärkungen <strong>der</strong> Anteil<br />
dieses Rauschens am gesamten Rauschen immer geringer wird.<br />
2<br />
Sini
4.3.Verstärkung des Kleinsignalanteils<br />
4.3.1. Hochpaßfilter<br />
Strom-Spannungs-Umsetzer 51<br />
Verstärkung des Kleinsignalanteils<br />
Die Modulation des Source-Drain-Stroms 4 durch den EOS-Transistor wird<br />
sich bei den erwarteten extrazellulären Spannungen in <strong>der</strong> Größenordnung von<br />
0,1mV nur im Bereich von wenigen Nano-Ampère abspielen. Zur Strom-Spannungs-<br />
Umsetzung und Verstärkung des Kleinsignalanteils des Source-Drain-Stroms iSD sind drei unterschiedliche schaltungstechnische Realisationen denkbar:<br />
(1) Hochpaß<br />
(2) Rückkopplung (Wi<strong>der</strong>stand),<br />
(3) Rückkopplung (Stromquelle),<br />
die in den Abb. 30, Abb. 31 und Abb. 35 dargestellt sind.<br />
Für die durchgeführten <strong>Messung</strong>en an Herzmuskelzellen (Kap. 6) wurde ein IU-<br />
Umsetzer verwendet, <strong>der</strong> nach Schaltungsvariante (1) arbeitet.<br />
Bei <strong>der</strong> in Abb. 30 abgebildeten Schaltung wird <strong>der</strong> gesamte Source-Drain-Strom<br />
durch den Operationsverstärker (OP1) in eine äquivalente Spannung umgesetzt.<br />
Bei Offsetströmen, die im gewählten Arbeitspunkt je nach Transistortyp in <strong>der</strong><br />
Größe von bis liegen, kann nur ein kleiner Verstärkungsfaktor<br />
realisiert werden, da<strong>mit</strong> <strong>der</strong> Operationsverstärker (OP1) nicht übersteuert.<br />
Der nachgeschaltete Hochpaß R1, C1 <strong>mit</strong> einer 3dB-Grenzfrequenz von 2Hz unterdrückt<br />
den Gleichspannungsanteil, da<strong>mit</strong> im zweiten Operationsverstärker (OP2) <strong>der</strong> Kleinsignalanteil des Source-Drain-Stroms <strong>mit</strong> einem hohen Verstärkungsfaktor<br />
verstärkt werden kann. Ein Stromsignal in <strong>der</strong> Größe von 1nA wird bei einer<br />
Beschaltung gemäß Abb. 30 durch den ersten Operationsverstärker in eine Spannung<br />
von 10µV umgesetzt, <strong>der</strong> zweite Operationsverstärker verstärkt das Signal um<br />
den Faktor 10 4 ISD ISD = 30μA ISD = 500μA<br />
iSD und es liegt am Ausgang ein Signal von 100mV an.<br />
U DG<br />
I SD<br />
C f1<br />
R f1<br />
+<br />
Uin OP U 1 out1<br />
C 1<br />
Abb. 30: Der gesamte Source-Drain-Strom wird im ersten Operationsverstärker in<br />
eine Spannung umgesetzt. Aufgrund des hohen Offsetstroms kann nur<br />
ein kleiner Verstärkungsfaktor realisiert werden. Der Hochpaß C1 , R1 unterdrückt den Gleichspannungsanteil. Der Kleinsignalanteil kann im<br />
zweiten Operationsverstärker <strong>mit</strong> einem großen Verstärkungsfaktor<br />
verstärkt werden ( Rf1 = 10kΩ , Cf1 = 18pF , C1 = 10μF , R1 = 10kΩ ,<br />
R2 = 100MΩ und Cf2 =<br />
47pF , ).<br />
4 Im folgenden wird nicht mehr vom Drain-Source-Strom son<strong>der</strong>n vom Source-Drain-Strom gesprochen,<br />
da dieser bei p-Kanal-Transistoren größer Null ist und <strong>der</strong> Stromflußrichtung entspricht.<br />
i SD<br />
R 1<br />
+<br />
R f2<br />
OP 2<br />
U out
Übertragungsfunktion<br />
Strom-Spannungs-Umsetzer 52<br />
Verstärkung des Kleinsignalanteils<br />
Wird <strong>der</strong> EOS-Transistor eingeschaltet, liegt am invertierenden Eingang des<br />
ersten Operationsverstärkers (OP 1 ) eine Stromsprungfunktion an.<br />
⎧0<br />
für t< 0<br />
It () = ISDσ() t <strong>mit</strong> σ() t = ⎨<br />
(121)<br />
⎩1<br />
für t≥0 Aufgrund <strong>der</strong> sehr kleinen Zeitkonstante τf1 = Rf1C f1 = 180ns von OP1 liegt am<br />
Ausgang quasi auch ein Spannungssprung an.<br />
U out1<br />
Uout1() t = USDσ() t <strong>mit</strong> USD = – ISDRf1<br />
(122)<br />
Gemäß <strong>der</strong> Übertragungsfunktion des zweiten Operationsverstärkers (OP2 )<br />
Gl.(123) wird <strong>der</strong> Spannungssprung <strong>mit</strong> einer abklingenden e-Funktion <strong>mit</strong> <strong>der</strong> Zeitkonstante<br />
τ1 = R1C1 = 100ms auf den Ausgang Uout übertragen (Gl.(126)).<br />
Uout( s)<br />
τ2s -------------------- = ---------------- <strong>mit</strong> τ1 = R1C1 und τ2 = R2C1 (123)<br />
Uout1( s)<br />
τ1s + 1<br />
Für den Spannungssprung am Ausgang von OP 1 in <strong>der</strong> s-Ebene gilt:<br />
Uout1( s)<br />
USD = --------- . (124)<br />
s<br />
Für den Ausgangssignalverlauf von OP 2 folgt im Frequenzbereich die Gl.(125), im<br />
Zeitbereich die Gl.(126).<br />
τ2 Uout( s)<br />
= USD---- -------------<br />
1<br />
τ1 1<br />
s + ---τ1<br />
τ2 1<br />
Uout() t = USD---- exp⎛–<br />
---- t⎞<br />
τ ⎝<br />
1 τ ⎠<br />
1<br />
(125)<br />
. (126)<br />
Die Spannung am Ausgang von OP2 kann nur dann dem Ausdruck <strong>der</strong> Gl.(126)<br />
folgen, wenn die Ausgangsspannung von OP2 nicht begrenzt ist. Bei einem Spannungssprung<br />
von USD = – 1V am Ausgang von OP1 müßte sich rechnerisch am<br />
Ausgang von OP2 eine Spannung von Uout 10 einstellen. Liegt die maximale<br />
Ausgangsspannung von OP2 z.B. bei 10V, ist erst nach einer Zeit von die<br />
entsprechende Ladung über den hochohmigen Wi<strong>der</strong>stand in den<br />
Kondensator geflossen. Beim Einschalten eines Transistors wird erst nach einer<br />
Zeitverzögerung <strong>der</strong> Kleinsignalanteil am Ausgang sichtbar. Der<br />
Transistor muß aus diesem Grund rechtzeitig vor <strong>der</strong> <strong>Messung</strong> eingeschaltet werden.<br />
3 = V<br />
t = 100s<br />
Rf2 = 100MΩ<br />
C1 t = 100s<br />
Uout Rauschen Bei kleinen Eingangssignalen <strong>der</strong> Operationsverstärker begrenzt das Rauschen<br />
die Meßbarkeit <strong>der</strong> Signale. Als Operationsverstärker wurde <strong>der</strong> Typ AD745 verwendet<br />
(Anhang ii), dessen maximales Input-Spannungs-Rauschen Svn = 4nV/ Hz<br />
und Input-Strom-Rauschen Sin = 40fA/ Hz beträgt. Für eine äquivalente Rauschquelle<br />
am Ausgang von OP1 ergibt sich bei einem Aufbau gemäß Abb. 30 analog<br />
2<br />
Gl.(119) die Spektralfunktion .<br />
2<br />
Svnout1 =<br />
2<br />
Svn 2<br />
Sisd 2<br />
Sin 2<br />
Sitf1 S vnout1<br />
+ ( + + )Rf1 2<br />
(127)
2<br />
Sitf1 Strom-Spannungs-Umsetzer 53<br />
Verstärkung des Kleinsignalanteils<br />
ist die Spektralfunktion für das Rauschen des Rückkopplungswi<strong>der</strong>stands<br />
Rf1 , die sich nach Gl.(74) ergibt. Für Rf1 = 10kΩ gilt:<br />
2<br />
S<br />
4kT<br />
itf1<br />
Rf1 2<br />
Sisd = --------- = 16 , ×10<br />
– 24<br />
A<br />
. (128)<br />
2<br />
------<br />
Hz<br />
ist das äquivalente Eingangsrauschen <strong>der</strong> EOS-Transistoren, das zum Vergleich<br />
<strong>der</strong> verschiedenen Schaltungstypen nicht berücksichtigt wird. Das äquiva-<br />
2<br />
lente Ausgangsrauschen Svnout1 von OP1 wird nach Gl.(129) durch das Rauschen<br />
des Rückkoppelungswi<strong>der</strong>stands Rf1 bestimmt, da das Input-Strom-Rauschen des<br />
Operationsverstärkers um drei Größenordnungen und das Input-Spannungs-Rauschen<br />
um eine Größenordnung kleiner ist.<br />
2<br />
Svnout1 2<br />
Svn – 17<br />
16×10<br />
V 2 , /Hz<br />
2 2<br />
Rf1Sin 16×10<br />
V 2 , /Hz<br />
(129)<br />
Auf einer Bandbreite von B = 10kHz entspricht dies nach Gl.(73) <strong>der</strong> effektiven<br />
Rauschspannung:<br />
V rout1<br />
. (130)<br />
Ein Stromeingangssignal von iSD = 1nA erzeugt zum Vergleich am Ausgang von<br />
OP1 eine Spannung von = 10μV .<br />
Das äquivalente Rauschen am Ausgang des zweiten Operationsverstärkers<br />
(OP2) ergibt sich analog zur Gl.(111). Dabei wird das Rauschen am Ausgang des<br />
2<br />
ersten Operationsverstärkers Svnout1 <strong>mit</strong> dem Quadrat des Verstärkungsfaktors<br />
( ) auf den Ausgang von OP2 übertragen.<br />
2<br />
R f2 /R 1<br />
2<br />
Svt1 2<br />
Svnout . (131)<br />
ist die Spektralfunktion für das Rauschen des Wi<strong>der</strong>stands , ist die<br />
Spektralfunktion für das Rauschen des Rückkoppelungswi<strong>der</strong>stands Rf2 . Mit<br />
R1 = 10kΩ und Rf2 = 100MΩ beträgt <strong>der</strong> Effektivwert <strong>der</strong> Rauschspannung<br />
= 19mV am Ausgang von OP2 auf einer Bandbreite von B = 10kHz .<br />
V rout<br />
2<br />
Svnout V rout<br />
(132)<br />
(133)<br />
Das Rauschen <strong>der</strong> zweiten Verstärkungsstufe wird durch das Rauschen des<br />
Wi<strong>der</strong>stands R1 dominiert. Zum Vergleich entspricht ein Stromeingangssignal in die<br />
Schaltung von = 1nA am Ausgang einem Signal von Uout = 100mV .<br />
Bezugspotential Wird gemäß Abb. 14 <strong>der</strong> Transistor nicht in einem Arbeitspunkt UDS = UGS betrieben,<br />
dann ist UDG > 0 und <strong>der</strong> nichtinvertierende Eingang des OP1 muß auf diesem<br />
Potential liegen. Im Arbeitspunkt =<br />
, <strong>der</strong> für die <strong>Messung</strong>en gewählt<br />
– 19<br />
2 2<br />
Rf1Sitf1 = + +<br />
= 18 , ×10<br />
⎧<br />
⎨<br />
⎩<br />
2<br />
Svnout1 = B = 13μV ,<br />
≈<br />
1 R ⎛ f2<br />
+ -------⎞<br />
⎝ R ⎠<br />
1<br />
2<br />
=<br />
R f2<br />
⎛-------⎞ ⎝R⎠ 1<br />
2<br />
– 9<br />
2<br />
Svn ⎧<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎪<br />
⎩<br />
2<br />
Svn 16×10<br />
V 2 , /Hz<br />
2<br />
Svnout = B = 19mV<br />
i SD<br />
⎧<br />
⎨<br />
⎩<br />
Uout1 2<br />
Svnout R f2<br />
⎧<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎪<br />
⎩<br />
– 16<br />
16×10<br />
V 2 , /Hz<br />
R f2<br />
⎛-------⎞ ⎝R⎠ 1<br />
2<br />
2 2 2 2<br />
Svt1 Svtf2 SinRf2 ⎛-------⎞ ⎝R⎠ 1<br />
2<br />
+ + + +<br />
R f2<br />
⎛-------⎞ ⎝R⎠ 1<br />
2<br />
2<br />
2<br />
Svt1 Svtf2 + + +<br />
⎧<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎪<br />
⎩<br />
– 8<br />
16×10<br />
V 2 , /Hz<br />
R f2<br />
⎧<br />
⎨<br />
⎩<br />
– 12<br />
16×10<br />
V 2 , /Hz<br />
2<br />
Svnout1 2 2<br />
SinRf2 ⎧<br />
⎨<br />
⎩<br />
– 11<br />
– 16<br />
V 2<br />
------<br />
Hz<br />
16×10<br />
V 2 , /Hz<br />
⎛-------⎞ ⎝R⎠ 1<br />
2<br />
2<br />
Svnout1 – 8<br />
+ 36×10<br />
V 2 ≈ , /Hz<br />
⎧<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
– 8<br />
18×10<br />
V 2 , /Hz<br />
U DS<br />
U GS<br />
2<br />
R1 Svtf2
Strom-Spannungs-Umsetzer 54<br />
Verstärkung des Kleinsignalanteils<br />
wurde, ist UDG = 0 , so daß <strong>der</strong> nichtinvertierende Eingang von OP1 dem Masse-<br />
Potential entspricht.<br />
4.3.2. Rückkopplung (Wi<strong>der</strong>stand)<br />
In <strong>der</strong> Schaltung <strong>der</strong> Abb. 31, die in [28] dargestellt ist, wird das Ausgangssignal<br />
Uout über einen Integrator (OP3) <strong>mit</strong> einer großen Zeitkonstante auf den Eingang<br />
zurückgekoppelt, so daß <strong>der</strong> Offsetstrom ioff über den Wi<strong>der</strong>stand R2 abfließt.<br />
Über den Rückkoppelungswi<strong>der</strong>stand Rf1 des ersten Operationsverstärkers (OP1) fließt nur noch <strong>der</strong> Kleinsignalanteil. Aus diesem Grund kann <strong>mit</strong> dem ersten Operationsverstärker<br />
eine sehr hohe Verstärkung durchgeführt werden. Der Operationsverstärker<br />
OP2 dient zur weiteren Verstärkung und Invertierung des Signals.<br />
U DG<br />
I SD<br />
I off<br />
R 2<br />
C f1<br />
R f1<br />
+<br />
Uin OP U 1 out1<br />
Abb. 31: Am Eingang des OP1 wird <strong>der</strong> Offsetstrom über einen Rückkopplungszweig<br />
(OP3 ) <strong>mit</strong> einer sehr großen Zeitkonstanten vom Source-<br />
Drain-Strom iSD abgezogen. Die Verstärkung des ersten Operationsverstärkers<br />
OP1 kann sehr groß gewählt werden, da nur <strong>der</strong> Kleinsignalanteil<br />
verstärkt und in eine Spannung umgesetzt wird. OP2 dient zur<br />
weiteren Verstärkung und Invertierung des Signals ( Rf1 = 10MΩ ,<br />
Cf1 = 1pF , R1 = 1kΩ , Rf2 = 10kΩ , R3 = 100MΩ , Cf3 = 220nF ,<br />
R2 = 10kΩ ).<br />
Bezugspotential Werden die Transistor nicht in einem Arbeitspunkt UDS = UGS betrieben, dann ist<br />
UDG > 0 und die nichtinvertierenden Eingänge <strong>der</strong> Operationsverstärker müssen auf<br />
dem Potential UDG liegen. Das Ausgangssignal des OP2 bezieht sich in diesem Fall<br />
auf UDG und nicht auf Masse. Über den Kondensator C1 kann <strong>der</strong> Kleinsignalanteil<br />
gegen Masse gemessen werden. Im Arbeitspunkt UDS = UGS ist UDG =<br />
0 , so daß<br />
alle nichtinvertierenden Eingänge auf Masse-Potential liegen.<br />
OP 3<br />
C f3<br />
R 1<br />
R 3<br />
U DG<br />
+<br />
R f2<br />
OP 2<br />
i off<br />
U out2<br />
C 1<br />
U out
Dämpfung des<br />
Eingangssignals<br />
i SD<br />
i off<br />
(1)<br />
i 1<br />
u 2<br />
R 2<br />
R f1<br />
u<br />
+<br />
in uout1 OP 1<br />
Strom-Spannungs-Umsetzer 55<br />
Verstärkung des Kleinsignalanteils<br />
Abb. 32: Kleinsignalersatzschaltbild für den Eingang des Strom-Spannungs-<br />
Umsetzers (OP1 ) in Abb. 31. Bei einer endlichen Verstärkung des<br />
Operationsverstärkers wird <strong>der</strong> Kleinsignalanteil über den Wi<strong>der</strong>stand<br />
R2 gedämpft.<br />
Nachteilig für diese Schaltungsvariante wirkt sich die Dämpfung des Eingangssignals<br />
durch den Wi<strong>der</strong>stand R2 aus. Ist die Verstärkung <strong>der</strong> Operationsverstärker<br />
nicht unendlich, kann die Eingangsspannung uin von OP1 nicht auf Null geregelt<br />
werden, so daß ein Teil des Kleinsignalstroms iDS über den Wi<strong>der</strong>stand R2 abfließt<br />
und das Eingangssignal vor <strong>der</strong> ersten Verstärkung gedämpft wird. Abb. 32 zeigt<br />
das Kleinsignalersatzschaltbild für die Beschaltung des ersten Operationsverstärkers<br />
(OP1 ). Der Wi<strong>der</strong>stand R2 liegt an einem quasi festen Potential, das durch den<br />
Integrator OP2 (Abb. 31) eingestellt wird. ioff ist <strong>der</strong> Kleinsignalanteil des Offsetstroms,<br />
<strong>der</strong> den Kleinsignalanteil des Source-Drain-Stroms iDS verkleinert. Über<br />
den Rückkoppelungswi<strong>der</strong>stand Rf1 fließt nur <strong>der</strong> Differenz-Strom i1 . Für den Knoten<br />
(1) gilt:<br />
i1 = iDS – ioff . (134)<br />
Die Open-Loop-Verstärkung des verwendeten Operationsverstärkers AD745<br />
(Anhang ii) beträgt minimal v0 = 1000 , so daß die Eingangsspannung uin nicht Null<br />
ist.<br />
u in<br />
uout1 = – ----------v0<br />
(135)<br />
uin fällt auch über den Wi<strong>der</strong>stand R2 ab ( u2 gnalanteil des Offsetstroms zu<br />
= uin ) und bestimmt den Kleinsi-<br />
i off<br />
u in<br />
u out<br />
------ --------- . (136)<br />
R2 v0 1<br />
= = – -----<br />
R2 Aus <strong>der</strong> Gl.(137) folgt für die Spannung zwischen dem Ein- und Ausgang des<br />
Operationsverstärkers <strong>mit</strong> den Gl.(134), (135) und (136) die Gl.(138).<br />
uin – uout1 – i1Rf1 = 0<br />
u out1<br />
iDSR 1<br />
f1<br />
1<br />
1 ---- 1<br />
v0 R =<br />
– ------------------------------------f1<br />
+ ⎛ + -------⎞<br />
⎝ R ⎠<br />
2<br />
(137)<br />
(138)
Strom-Spannungs-Umsetzer 56<br />
Verstärkung des Kleinsignalanteils<br />
Die begrenzte Open-Loop-Verstärkung des Operationsverstärkers führt zu einer<br />
Dämpfung des Kleinsignalanteils des Drain-Source-Stroms. Der Dämpfungsfaktor<br />
steigt <strong>mit</strong> sinkendem Verstärkungsfaktor des OP1 und <strong>mit</strong> sinkendem Wi<strong>der</strong>stand<br />
R2 an. Der Wi<strong>der</strong>stand R2 muß umsokleiner gewählt werden, je größer <strong>der</strong> Offsetstrom<br />
ist. Bei einem Rückkoppelungswi<strong>der</strong>stand von Rf1 = 10MΩ , einem Wi<strong>der</strong>stand<br />
R2 = 10kΩ und einer Open-Loop-Verstärkung von v0 = 1000 wird das Signal<br />
vor <strong>der</strong> Verstärkung um den Faktor 0,5 gedämpft.<br />
i DS<br />
Rauschen Die Beschaltung des ersten Operationsverstärkers (OP1 ) unterscheidet sich zur<br />
Abb. 30 darin, daß am invertierenden Eingang über den Wi<strong>der</strong>stand R2 <strong>der</strong> Offsetstrom<br />
ioff gegen ein quasi festes Potential abfließt. Der Einfluß des thermischen<br />
Rauschens von Wi<strong>der</strong>stand R2 soll in <strong>der</strong> folgenden Betrachtung dargestellt werden.<br />
Das Rauschen des Wi<strong>der</strong>stands wird im Rauschquellenersatzschaltbild durch<br />
die Parallelschaltung eines rauschfreien Wi<strong>der</strong>stands <strong>mit</strong> einer Rausch-Stromquelle<br />
dargestellt (Abb. 19).<br />
S iin<br />
R 2<br />
S vn1<br />
S vn2<br />
S in1<br />
S in2<br />
S it2<br />
R f1<br />
-<br />
+<br />
Abb. 33: Rauschquellenersatzschaltbild für die Beschaltung des ersten Operationsverstärkers<br />
(OP1 ). Das Rauschen des Wi<strong>der</strong>stands R2 wird durch<br />
die Parallelschaltung eines rauschfreien Wi<strong>der</strong>stands <strong>mit</strong> einer Rausch-<br />
Stromquelle modelliert.<br />
S vtf1
I in<br />
R 2<br />
I 2<br />
I in +I 1 +I t2 -I 2<br />
Strom-Spannungs-Umsetzer 57<br />
Verstärkung des Kleinsignalanteils<br />
Abb. 34: Die Rauschquellen <strong>der</strong> Abb. 33 sind durch Spannungs- bzw. Stromquellen<br />
zur Berechnung des Ersatzschaltbilds ersetzt.<br />
Bei einer unendlich großen Differenzverstärkung des Operationsverstärkers gilt:<br />
Un = Up und das Ersatzschaltbild (Abb. 34) wird durch die Gl.(139) bis Gl.(141)<br />
beschrieben.<br />
U p<br />
=<br />
U 2<br />
Un = U1 Isd + I1 + It2 – I2 Un = U1 + I2R2 (139)<br />
(140)<br />
(141)<br />
Durch Kombination <strong>der</strong> Gleichungen (139) bis (141) ergibt sich für die Ausgangsspannung<br />
:<br />
. (142)<br />
Wird die Gleichung (142) quadriert, die Mischterme weggelassen (Kap. 4.2) und<br />
die Signalquellen durch die korrespondierenden Rauschquellen ersetzt, folgt für die<br />
2<br />
äquivalente Rauschquelle am Ausgang <strong>der</strong> Schaltung die Gl.(143).<br />
Mit = und Gl.(103) und (104) folgt:<br />
U 1<br />
U 2<br />
I 1<br />
I 2<br />
I t2<br />
U n<br />
U p<br />
R f1<br />
+ ( )Rf1+ Utf1 + Uout1 U out1<br />
Uout1 1 Rf1 = ⎛<br />
⎝<br />
+ -------⎞<br />
U2<br />
R ⎠<br />
( – U1) – IsdRf1 – I1Rf1 – It2R f1 – Utf1 2<br />
2<br />
Svnout1 2<br />
Svtf1 2<br />
Svnout1 S vnout1<br />
1 R ⎛ f1<br />
+ -------⎞<br />
⎝ R ⎠<br />
2<br />
2<br />
2 2 2 2 2 2 2 2<br />
= ( Svn1 + Svn2) + SisdRf1 + Sin1Rf1 + Sit2Rf1 +<br />
2 2<br />
Sitf1Rf1 1 R ⎛ f1<br />
+ -------⎞<br />
⎝ R ⎠<br />
2<br />
2<br />
=<br />
2<br />
Svn 2<br />
Sisd 2<br />
Sin -<br />
+<br />
2<br />
Sit2 2<br />
Sitf1 + ( + + + )Rf1 2<br />
U tf1<br />
2<br />
Svtf1 U o<br />
(143)<br />
. (144)
Strom-Spannungs-Umsetzer 58<br />
Verstärkung des Kleinsignalanteils<br />
Für Rf1 = 10MΩ gilt für die Spektralfunktion Sitf1 ist .<br />
16×10<br />
A und für<br />
(145)<br />
2 =<br />
2<br />
– 24<br />
R2 = 10kΩ Sit2 16×10<br />
A<br />
, /Hz<br />
2 = , /Hz<br />
⎛<br />
Rf1 -------⎞<br />
⎝R⎠ 2<br />
2<br />
≈<br />
2<br />
Svn +<br />
2 2<br />
Rf1Sin +<br />
2 2<br />
Rf1Sitf1 +<br />
2 2<br />
Rf1Sit2 2<br />
Svnout1 2<br />
Svnout1 ⎧<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎪<br />
⎩<br />
– 11<br />
16×10<br />
V 2 , /Hz<br />
– 10<br />
18×10<br />
V 2 ≈ , /Hz<br />
⎧<br />
⎨<br />
⎩<br />
– 19<br />
16×10<br />
V 2 , /Hz<br />
⎧<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎪<br />
⎩<br />
(146)<br />
Am Ausgang von OP1 liegt für ein Stromeingangssignal in die Schaltung von<br />
iSD = 1nA ein Spannungssignal von Uout1 = 10mV an. Wird die begrenzte Differenzverstärkung<br />
des Operationsverstärkers v0 = 1000 berücksichtigt, beträgt das<br />
Spannungssignal am Ausgang nur Uout1 = 5mV . Der Effektivwert <strong>der</strong> Rauschspannung<br />
beträgt auf einer Bandbreite von B = 10kHz :<br />
V rout1<br />
2<br />
Svnout1 = B = 13mV ,<br />
. (147)<br />
Für die zweite Verstärkungsstufe <strong>mit</strong> OP2 gilt die Gl.(132) analog. Mit den Wi<strong>der</strong>standswerten<br />
<strong>der</strong> Abb. 31 ergibt sich am Ausgang <strong>der</strong> Schaltung eine effektive<br />
Rauschspannung auf einer Bandbreite B = 10kHz von Vrout = 13mV .<br />
2<br />
Svnout V rout<br />
≈<br />
R f2<br />
⎛-------⎞ ⎝R⎠ 1<br />
2<br />
– 15<br />
2<br />
Svn ⎧<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎪<br />
⎩<br />
16×10<br />
V 2 , /Hz<br />
2<br />
Svnout = B = 13mV<br />
R f2<br />
(148)<br />
(149)<br />
Das Rauschen des Operationsverstärkers und <strong>der</strong> Wi<strong>der</strong>stände in <strong>der</strong> zweiten<br />
Verstärkungsstufe spielen keine Rolle. Das äquivalente Ausgangsrauschen wird nur<br />
durch das Rauschen am Ausgang des ersten Operationsverstärkers (OP1 )<br />
bestimmt, dessen Effektivwert am Ausgang des zweiten Operationsverstärkers<br />
(OP2 ) um den Faktor ( ) verstärkt vorliegt.<br />
– 13<br />
2<br />
16×10<br />
V 2 , /Hz<br />
⎛-------⎞ ⎝R⎠ 1<br />
2<br />
2<br />
2<br />
Svt1 Svtf2 + + +<br />
⎧<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎪<br />
⎩<br />
– 17<br />
16×10<br />
V 2 , /Hz<br />
R f2 /R 1<br />
R f2<br />
⎧<br />
⎨<br />
⎩<br />
– 16<br />
16×10<br />
V 2 , /Hz<br />
– 27<br />
⎧<br />
⎨<br />
⎩<br />
– 10<br />
16×10<br />
V 2 , /Hz<br />
2 2<br />
SinRf2 ⎧<br />
⎨<br />
⎩<br />
– 19<br />
16×10<br />
V 2 , /Hz<br />
⎛-------⎞ ⎝R⎠ 1<br />
2<br />
2<br />
Svnout1 – 8<br />
+ 18×10<br />
V 2 ≈ , /Hz<br />
⎧<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
– 8<br />
18×10<br />
V 2 , /Hz
4.3.3. Rückkopplung (Stromquelle)<br />
Strom-Spannungs-Umsetzer 59<br />
Verstärkung des Kleinsignalanteils<br />
Zur Vermeidung <strong>der</strong> Dämpfung des Eingangssignals, wurde im Rahmen dieser<br />
Arbeit die Schaltung <strong>der</strong> Abb. 35 entwickelt. Der Wi<strong>der</strong>stand R2 in <strong>der</strong> Abb. 31 kann<br />
durch eine spannungsgesteuerte Stromquelle ersetzt werden, die durch einen Integrator<br />
geregelt wird. Als Stromquelle wird ein nMOS-Transistor gemäß Abb. 35 verwendet.<br />
In <strong>der</strong> Praxis wirkt sich bei dieser Schaltung das Rauschen des nMOS-<br />
Transistors negativ auf das Ausgangsrauschen aus. Es muß aus diesem Grund ein<br />
sehr rauscharmer Typ verwendet werden.<br />
nMOS<br />
I off<br />
D<br />
S<br />
-U DD<br />
I SD<br />
C f1<br />
R f1<br />
+<br />
Uin OP U 1 out1<br />
U DG<br />
R 4<br />
OP 5<br />
+<br />
OP 4<br />
R f4<br />
R 1<br />
Abb. 35: Der Offsetstrom wird durch eine spannungsgesteuerte Stromquelle vom<br />
Drain-Source-Strom IDS abgezogen. Als Stromquelle dient ein nMOS-<br />
Transistor, <strong>der</strong> durch einen Operationsverstärker geregelt wird (OP5 ).<br />
OP4 dient <strong>der</strong> Invertierung des Signals ( R3 = Rf4 = R4 =<br />
10kΩ ).<br />
R 3<br />
+<br />
R f2<br />
OP 2<br />
OP 3<br />
C f3<br />
U out2<br />
R 2<br />
U DG<br />
C 1<br />
U out
4.4.Schaltungsentwurf<br />
Strom-Spannungs-Umsetzer 60<br />
Schaltungsentwurf<br />
Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde eine Platine entwickelt, auf <strong>der</strong> ein Multiplexer<br />
zur Umschaltung zwischen den einzelnen Transistoren und zwei Strom-<br />
Spannungs-Umsetzer untergebracht sind.<br />
Multiplexer Auf dem Cultus-Chip befinden sich insgesamt 64 Transistoren, von denen für<br />
<strong>Messung</strong>en jeweils zwei Transistoren gleichzeitig ausgewählt werden können. Die<br />
Multiplexer-Schaltung ist in Abb. 36 schematisch dargestellt.<br />
off<br />
(9)<br />
zweite Drain-<br />
Zuleitungen<br />
on<br />
(1)<br />
(2)<br />
(3)<br />
(4)<br />
b<br />
a<br />
c<br />
d<br />
on<br />
off<br />
on<br />
off<br />
on<br />
off<br />
on<br />
off<br />
Drain<br />
a b c d<br />
(8)<br />
Cultus-Chip<br />
Source<br />
(5)<br />
(6)<br />
(7)<br />
Source<br />
Source<br />
a<br />
off<br />
b c d<br />
Source U SG<br />
Drain extern 2<br />
Drain extern 1<br />
IU-Umsetzer 1<br />
IU-Umsetzer 2<br />
Abb. 36: Schematische Darstellung des Multiplexers. Mit den DIP-Schaltern (5)<br />
und (6) wird <strong>der</strong> Source-Anschluß des ausgewählten Transistors <strong>mit</strong> <strong>der</strong><br />
Spannungsquelle USG verbunden. Die DIP-Schalter (1)-(4) und (7), (8)<br />
dienen zur Auswahl <strong>der</strong> entsprechenden Drain-Zuleitung. Die<br />
Darstellung umfaßt nur die linken Transistoren (1 bis 4 und 9 bis 12) des<br />
Cultus-Chips.<br />
Der Source-Anschluß für die vier Transistoren einer Reihe wird über die DIP-<br />
Schalter5 (5) und (6) <strong>mit</strong> <strong>der</strong> Spannungsquelle verbunden. Mit den DIP-Schal-<br />
U SG<br />
on<br />
off<br />
on<br />
off<br />
on<br />
off<br />
on
Strom-Spannungs-Umsetzer 61<br />
Schaltungsentwurf<br />
tern (1) bis (4) kann die Drain-Zuleitung des entsprechenden Transistors ausgewählt<br />
werden. Zwei Transistoren können nur dann gleichzeitig betrieben werden,<br />
wenn sie in einer Reihe liegen.<br />
Die Drain-Zuleitung des jeweiligen Transistors wird über die DIP-Schalter (7) und<br />
(8) <strong>mit</strong> dem Eingang des Strom-Spannungs-Umsetzers verbunden. Neben den beiden<br />
Strom-Spannungs-Umsetzern (IU-Umsetzer 1, IU-Umsetzer 2), die auf <strong>der</strong> Platine<br />
untergebracht sind, können die Drain-Zuleitungen <strong>mit</strong> den Eingängen von zwei<br />
externen Strom-Spannungs-Umsetzern (Drain extern 1, Drain extern 2) verbunden<br />
werden. Für die letzten Transistoren (d) einer Reihe sind auf dem Chip jeweils zwei<br />
Drain-Zuleitungen vorgesehen. Sie können <strong>mit</strong> den DIP-Schaltern (9) zueinan<strong>der</strong><br />
parallel geschaltet werden, um den Einfluß des Zuleitungswi<strong>der</strong>stands zu untersuchen.<br />
Abb. 37: Multiplexer und Verstärker sind in einem Gehäuse direkt unter dem<br />
Cultus-Chip angeordnet. Oben: PGA-Sockel für den Cultus-Chip. In <strong>der</strong><br />
Mitte: DIP-Schalter des Multiplexers. Rechts und links: BNC-Ein- und<br />
Ausgänge.<br />
5 Die DIP-Schalter haben drei Stellungen (Tristate-DIP-Schalter): on, hochohmig, off.
U DG<br />
I SD<br />
+V<br />
-V<br />
+V<br />
-V<br />
R 11 ,R 19<br />
R 12 ,R 20<br />
R 8 ,R 29<br />
R 14 ,R 22<br />
R 9 ,R 30<br />
R 13 ,R 21<br />
R 15 ,R 23<br />
R 39 ,R 42<br />
J 2 ,J 3<br />
R 37 ,R 40<br />
+<br />
R 10 ,R 31<br />
R 16 ,R 24<br />
C 11 ,C 12<br />
OP 1-1 ,OP 1-2<br />
C 9 ,C 11<br />
OP 4-1 ,OP 4-2<br />
C 1 ,C 10 R 2 ,R 33<br />
R 4 ,R 34<br />
+<br />
J 1 ,J 4<br />
R 6 ,R 28<br />
R 7 ,R 27<br />
Strom-Spannungs-Umsetzer 62<br />
Schaltungsentwurf<br />
Abb. 38: Schaltplan des IU-Umsetzers. Durch Wahl <strong>der</strong> Jumperstellungen (J1 bis<br />
J4) können unterschiedliche Schaltungsvarianten zur Verstärkung des<br />
Kleinsignalanteils realisiert werden.<br />
Die Abb. 36 stellt die Verschaltung nur für die Transistoren <strong>der</strong> linken Seite (1 bis<br />
4 und 9 bis 12) des Cultus-Chips dar. Der Multiplexer für die Transistoren <strong>der</strong> rechten<br />
Seite ist analog aufgebaut. Der Bulk-Anschluß ist für alle Transistoren identisch<br />
und ist auf <strong>der</strong> Platine nach außen geführt. Das Platinen-Layout und die Zuordnung<br />
<strong>der</strong> einzelnen Schalter ist im Anhang dargestellt.<br />
U DG<br />
OP 5-1 ,OP 5-2<br />
R 1 ,R 25<br />
U DG<br />
R 5 ,R 35<br />
+<br />
R 3 ,R 32<br />
+<br />
OP 3-1 ,OP 3-2<br />
U DG<br />
C 4 ,C 8<br />
R 17 ,R 36<br />
R 18 ,R 26<br />
OP 2-1 ,OP 2-2<br />
+<br />
-V opp<br />
+V opp<br />
C 13 ,C 14<br />
C 3 ,C 7<br />
C 2 ,C 5<br />
U outA<br />
U outB
Strom-Spannungs-Umsetzer<br />
Strom-Spannungs-Umsetzer<br />
bei den <strong>Messung</strong>en<br />
an <strong>Zellen</strong><br />
Strom-Spannungs-Umsetzer 63<br />
Schaltungsentwurf<br />
Auf <strong>der</strong> Platine sind zwei Strom-Spannungs-Umsetzer vorgesehen. Der Schaltplan<br />
<strong>der</strong> IU-Umsetzer ist in Abb. 38 dargestellt. Die beiden IU-Umsetzer unterscheiden<br />
sich nur im Typ <strong>der</strong> Eingangs-Operationsverstärker OP1 (IU-Umsetzer 1:<br />
AD745, IU-Umsetzer 2: LMC648). Für die Eingangs-Operationsverstärker wurden<br />
spezielle, beson<strong>der</strong>s rauscharme Operationsverstärker ausgewählt. Bei den Operationsverstärkern<br />
OP2 bis OP5 wurden die weniger rauscharmen Operationsverstärker<br />
(TS274) verwendet. Mit <strong>der</strong> vorgegebenen Schaltung können die in Kap. 4.3<br />
beschriebenen Schaltungsvarianten (Hochpaß und Rückkopplung über Wi<strong>der</strong>stand)<br />
realisiert werden. Dazu sind die Jumper (J1 bis J4 ) entsprechend zu setzen.<br />
Eine dritte Schaltungsvariante sollte einen manuellen Abgleich des Offsetstroms<br />
ISD ermöglichen. Dazu ist auf <strong>der</strong> Platine eine fein einstellbare Spannungsquelle<br />
vorhanden, die <strong>mit</strong> dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers<br />
OP3 verbunden werden kann. Es hat sich jedoch gezeigt, daß <strong>der</strong> Offsetstrom ISD im Verhältnis zum Kleinsignalanteil aufgrund von Än<strong>der</strong>ungen des Lichteinfalls auf<br />
den Transistor und Än<strong>der</strong>ungen <strong>der</strong> Temperatur sehr stark schwankt, so daß ein<br />
manueller Abgleich des Offsetstroms nicht möglich ist. Die Versorgungsspannung<br />
<strong>der</strong> Operationsverstärker wird durch RC-Glie<strong>der</strong> <strong>mit</strong> einer Grenzfrequenz von<br />
= 16Hz geglättet.<br />
f g<br />
Für die durchgeführten <strong>Messung</strong>en wurde ein Strom-Spannungs-Umsetzer verwendet,<br />
<strong>der</strong> auf einer zweiten Platine untergebracht ist (Abb. 39). Es handelt sich<br />
dabei um die erste Schaltungsvariante (Hochpaßfilter, Kap.4.3). Der erste Operationverstärker<br />
OP1 setzt dabei den gesamten Source-Drain-Strom ISD in eine äquivalente<br />
Spannung um und <strong>der</strong> nachgeschaltete RC-Hochpaß <strong>mit</strong> einer<br />
Grenzfrequenz von fg = 2Hz unterdrückt den Gleichspannungsanteil. Vom zweiten<br />
Operationsverstärker wird nur <strong>der</strong> Kleinsignalanteil iSD des Source-Drain-Stroms<br />
verstärkt. Für den Kondensator CTantal wird ein Tantal-Kondensator verwendet, da<br />
Tantal-Kondensatoren rauschärmer als Elektrolyt-Kondensatoren sind. Bei den<br />
Operationsverstärkern OP1 und OP2 handelt es sich um die beson<strong>der</strong>s rauscharmen<br />
Operationsverstärker vom Typ AD745. Durch die in Abb. 39 dargestellte<br />
Beschaltung <strong>der</strong> Operationsverstärker wurde ein Verstärkungsfaktor von v = 10000<br />
realisiert. Durch die hohe Verstärkung wird die Bandbreite <strong>der</strong> Schaltung stark<br />
reduziert. Das Ergebnis einer Frequenzgangmessung ist in Kap. 7 dargestellt.<br />
I SD<br />
C=4,7pF<br />
R=10k Ω<br />
+<br />
OP (AD745)<br />
1<br />
C Tantal =10μF<br />
R=10k Ω<br />
C=4,7pF<br />
R=100M Ω<br />
Abb. 39: Für die <strong>Messung</strong>en wurde ein IU-Umsetzer verwendet, <strong>der</strong> den Kleinsignalanteil<br />
durch einen Hochpaß (Kap. 4.3) vom Offsetstrom trennt. OP 1<br />
und OP 2 sind die beson<strong>der</strong>s rauscharmen Operationsverstärker vom<br />
Typ AD745.<br />
Für die Spannungsversorgung <strong>der</strong> Operationsverstärker werden zwei Blei-Akkus<br />
( V0 = 12V ) verwendet. Direkt vor dem Eingang <strong>der</strong> Operationsverstärker ist für die<br />
negative und positive Betriebsspannung jeweils ein RC-Tiefpaß <strong>mit</strong> einer 3dB-<br />
Grenzfrequenz von fg = 2Hz geschaltet, da<strong>mit</strong> Einstreuungen in den Zuleitungen<br />
von den Akkus zum Verstärker gedämpft werden. Um das Rauschen <strong>der</strong> verwendeten<br />
Elektrolyt-Kondensatoren zu verringern, wird jeweils ein Tantalkondensator zur<br />
eigentlichen Kapazität parallel geschaltet. Die Source-Gate-Spannung wird<br />
+<br />
OP 2 (AD745)<br />
U SG
Strom-Spannungs-Umsetzer 64<br />
Schaltungsentwurf<br />
durch einen einstellbaren Festspannungsregler (TL 317 LP) erzeugt und wie<strong>der</strong>um<br />
durch einen RC-Tiefpaß geglättet.<br />
R=100 Ω<br />
R=100 Ω<br />
+<br />
-V opp =-12V<br />
+V opp =12V<br />
C Tantal =10 μF<br />
C Elko =1000 μF<br />
C Elko =1000 μF<br />
C Tantal =10 μF<br />
R=100 Ω<br />
U SG =2,5V<br />
C Tantal =10μF<br />
C Elko =1000 μF<br />
U SG (Source-Anschluss)<br />
Abb. 40: Als Spannungsquelle für die Betriebsspannung <strong>der</strong> Operationsverstärker<br />
und für die Source-Gate-Spannung werden Blei-Akkus verwendet. In<br />
un<strong>mit</strong>telbarer Nähe zum Verstärker ist jeweils für die positive und<br />
negative Betriebsspannung und für die Source-Gate-Spannung ein RC-<br />
Tiefpaß angeordnet.
Charakterisierung <strong>der</strong> EOS-Transistoren 65<br />
Kennlinien und Parameter<br />
5. Charakterisierung <strong>der</strong> EOS-Transistoren<br />
5.1.Kennlinien und Parameter<br />
Übertragungsleitwertfaktor<br />
β ,<br />
Einsatzspannung<br />
UTH Der Übertragungsleitwertfaktor β und die Einsatzspannung UTH <strong>der</strong> Transistoren<br />
lassen sich <strong>mit</strong> <strong>der</strong> in Abb. 41 dargestellten Meßanordnung bestimmen. Wird die<br />
Spannung UDS variiert und <strong>der</strong> Strom IDS gemessen, so erhält man die Ausgangskennlinie<br />
des Transistors (Abb. 42).<br />
Bad<br />
Abb. 41: Bestimmung des Übertragungsleitwertfaktors und <strong>der</strong> Einsatzspannung.<br />
Für einen p-Kanal-Transistor gilt im Arbeitsbereich: UDS, IDS < 0 .<br />
-I DS [A]<br />
250µ<br />
200µ<br />
150µ<br />
100µ<br />
50µ<br />
0<br />
Abb. 42: Ausgangskennlinie von Transistor 5 (p-Kanal) <strong>mit</strong> = .<br />
In <strong>der</strong> Meßanordnung gilt für p-Kanal-Transistoren:<br />
D<br />
S<br />
I DS<br />
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0<br />
-U DS [V] (U DS =U GS )<br />
UGS = UDS < UGS – UTH <strong>mit</strong> UTH < 0 , (150)<br />
d.h. <strong>der</strong> Transistor befindet sich für UGS <<br />
UTH im Sättigungsbereich, so daß für<br />
den Drain-Source-Strom gilt:<br />
U DS<br />
U DS<br />
U GS
Übertragungsleitwert<br />
gm I DS<br />
Charakterisierung <strong>der</strong> EOS-Transistoren 66<br />
Kennlinien und Parameter<br />
--<br />
β<br />
( UDS – UTH) bzw. . (151)<br />
2<br />
2<br />
= –<br />
– I<br />
β<br />
DS = -- ( UDS – UTH) 2<br />
Wird – IDS<br />
über – UDS aufgetragen (Abb. 42), ergibt sich eine Gerade <strong>mit</strong> <strong>der</strong><br />
Steigung β/2 , die die Abszisse bei UDS = – UTH schneidet. Aus <strong>der</strong> Steigung und<br />
dem Achsenabschnitt lassen sich die Werte für den Übertragungsleitwertfaktor β<br />
und die Einsatzspannung bestimmen.<br />
sqrt(-I DS ) [sqrt(A)]<br />
16m<br />
14m<br />
12m<br />
10m<br />
8m<br />
6m<br />
4m<br />
2m<br />
0<br />
U TH<br />
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0<br />
-U DS [V] (U DS =U GS )<br />
Abb. 43: Aus <strong>der</strong> Steigung <strong>der</strong> Gerade läßt sich <strong>der</strong> Übertragungsleitwertfaktor β<br />
und aus dem Schnittpunkt <strong>der</strong> verlängerten Geraden <strong>mit</strong> <strong>der</strong> Abszisse<br />
läßt sich die Einsatzspannung des Transistors bestimmen.<br />
g m<br />
Der Übertragungsleitwert für die Kleinsignalbeschreibung in einem festen<br />
Arbeitspunkt ( UDSArb = – 25V , ) läßt sich aus dem Übertragungsleitwertfaktor β<br />
gemäß Gl.(152) berechnen.<br />
g m<br />
=<br />
– βUDSArb U TH<br />
(152)
Charakterisierung <strong>der</strong> EOS-Transistoren 67<br />
Kennlinien und Parameter<br />
Genauer kann <strong>der</strong> Wert jedoch aus <strong>der</strong> Steigung <strong>der</strong> Transferstromkennlinie für<br />
den Arbeitspunkt UDSArb = – 25V , im Punkt UGS = – 25V , er<strong>mit</strong>telt werden. Die<br />
Kennlinie ist für den Transistor 5 in <strong>der</strong> Abb. 44 dargestellt.<br />
-I DS [A]<br />
250µ<br />
200µ<br />
150µ<br />
100µ<br />
50µ<br />
0<br />
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0<br />
-U GS [V] (U DS =-2,5V)<br />
Abb. 44: Transferstromkennlinie von Transistor 5 <strong>mit</strong> UDSArb = – 25V , . Aus <strong>der</strong><br />
Steigung <strong>der</strong> Kennlinie im Punkt UGS = – 25V , wird <strong>der</strong> Übertragungsleitwert<br />
= 121, 1μS bestimmt.<br />
g m<br />
Die Kennlinien für alle Transistoren enthält <strong>der</strong> Anhang iv. In <strong>der</strong> folgenden<br />
Tabelle sind die Werte für β , UTH , gm und den Übertragungsleitwertparameter Kp zusammengefaßt. Für den Zusammenhang zwischen dem Übertragungsleitwertfaktor<br />
β und dem Übertragungsleitwertparameter Kp gilt:<br />
W<br />
β = Kp---- . (153)<br />
L<br />
Die Werte für den Übertragungsleitwert wurden aus <strong>der</strong> Steigung <strong>der</strong> Transferstromkennlinie<br />
im Punkt UDS = UGS =<br />
– 25V , bestimmt.<br />
g m
Zuleitungswi<strong>der</strong>stände<br />
parasitäre Kapazitäten<br />
Charakterisierung <strong>der</strong> EOS-Transistoren 68<br />
Kennlinien und Parameter<br />
Tab. 4: Parameter <strong>der</strong> unterschiedlichen Transistortypen (1 bis 16) des Cultus-<br />
Chips. Der Übertragungsleitwert gm bezieht sich auf den Arbeitspunkt<br />
UDS = UGS = – 25V , .<br />
Transistor W/L β [10 -6 A/V 2 ] K p [10 -6 A/V 2 ] U TH [V] g m [µS]<br />
1 4 239 59,75 -0,29 340,7<br />
2 6 394 65,67 -0,32 486,5<br />
3 3 183 61 -0,32 255,8<br />
4 2 110 55 -0,33 161,3<br />
5 2 72 36 -0,32 121,1<br />
6 1,33 60 45,11 -0,35 101,3<br />
7 2,67 143 53,56 -0,31 222,7<br />
8 1,11 48 43,24 -0,49 78,2<br />
9 1 50 50 -0,32 89,9<br />
10 1 47 47 -0,32 79,3<br />
11 1 51 51 -0,33 85,2<br />
12 1,11 47 42,34 -0,40 75,8<br />
13 1,11 27 27 -0,47 49,2<br />
14 1 56 56 -0,35 92,5<br />
15 0,2 7 35 -0,33 14,3<br />
16 5 391,7<br />
Die Zuleitungen <strong>der</strong> Transistoren bestehen aus hochdotiertem, p + -leitendem Silizium<br />
<strong>mit</strong> einem Schichtwi<strong>der</strong>stand von R = 15Ω/ . Die Drain-Zuleitungen haben<br />
eine Breite von 100µm und für die <strong>mit</strong>tleren Transistoren eine Länge von maximal<br />
5,5mm. Die Source-Zuleitungen für die äußeren Transistoren haben eine Breite von<br />
500µm und eine maximale Länge von 4mm. Die Source-Zuleitungen für die <strong>mit</strong>tleren<br />
Transistoren (4, 5, 12, 13) sind 1000µm breit und 4,4mm lang.<br />
R =<br />
L<br />
---- R<br />
W<br />
(154)<br />
Die Abschätzungen für die Zuleitungswi<strong>der</strong>stände nach Gl.(154) sind in Tab. 5<br />
aufgelistet. Für den Transistor 9a wurde ein Drain-Zuleitungswi<strong>der</strong>stand von<br />
R = 484Ω und für den Transistor 4a ein Drain-Zuleitungswi<strong>der</strong>stand von R =<br />
786Ω<br />
gemessen.<br />
Tab. 5: Zuleitungswi<strong>der</strong>stände <strong>der</strong> EOS-Transistoren<br />
W [µm] L [µm] R [Ω]<br />
Drain-Zuleitung 100 5500 825<br />
Source-Zuleitung<br />
(4, 5, 12, 13)<br />
Source-Zuleitung<br />
(Rest)<br />
1000 4400 66<br />
500 4000 120<br />
Die parasitären Kapazitäten <strong>der</strong> Zuleitungen und die parasitären Kapazitäten in<br />
den EOS-Transistoren bestimmen das Frequenzverhalten <strong>der</strong> Transistoren. Die<br />
Drain- und Source-Zuleitungen bilden über die dünne Oxidschicht zum Elektrolyten
Zuleitungskapazitäten<br />
Drain-Bulk-Kapazität<br />
Charakterisierung <strong>der</strong> EOS-Transistoren 69<br />
Kennlinien und Parameter<br />
die Kapazitäten CZD und CZS aus (Abb. 15). Die Oxidkapazität berechnet sich nach<br />
Gl.(155) und Gl.(156).<br />
C' ox<br />
C ox<br />
– 12<br />
ε0ε 39 , ⋅ 8,<br />
854×10<br />
-------<br />
As<br />
SiO2<br />
= ----------------- = -----------------------------------------------------<br />
Vm<br />
=<br />
d ox<br />
WLC' ox<br />
d ox<br />
(155)<br />
(156)<br />
In Tab. 6 sind Abschätzungen für die Zuleitungskapazitäten exemplarisch für die<br />
Transistoren 3, 4 und 5 dargestellt. Der Transistor 3 unterscheidet sich von den<br />
Transistoren 4 und 5 durch eine schmale Source-Zuleitung. Die Transistoren 3 und<br />
4 haben im Vergleich zum Transistor 5 über den Drain- und Source-Diffusionen<br />
eine dünne Oxidschicht <strong>mit</strong> <strong>der</strong> Dicke von 8nm (Abb. 13), so daß <strong>der</strong> kapazitive Beitrag<br />
dieser Bereiche zu den Zuleitungskapazitäten CZD und CZS extra betrachtet<br />
werden muß. In das Ersatzschaltbild gehen die Zuleitungskapazitäten nur <strong>mit</strong> dem<br />
Faktor 0,5 ein, da sie über die gesamte Zuleitung gleichmäßig verteilt sind.<br />
Tab. 6: Abschätzungen für die Kapazitäten <strong>der</strong> Zuleitungen für die Transistoren 3,<br />
4 und 5. Die flächenspezifische Oxidkapazität für eine Oxiddicke von<br />
– 5<br />
dox = 500nm nach Gl.(155) beträgt C'ox 69×10<br />
F/m und für eine<br />
Oxiddicke von ist .<br />
2<br />
= ,<br />
– 3<br />
= 8nm C'ox 43×10<br />
F/m 2<br />
= ,<br />
Transistor 3:<br />
W [µm] L [µm] C ox [pF]<br />
Drain-Zuleitung ( = 500nm ) 100 3700 25<br />
Drain-Diffusion ( = 8nm ) 100 50 21<br />
C ZD (gesamt) 46<br />
Source-Zuleitung ( = 500nm ) 500 3600 124<br />
Source-Diffusion ( = 8nm ) 100 50 21<br />
C ZS (gesamt) 145<br />
Transistor 4:<br />
Drain-Zuleitung ( = 500nm ) 100 4150 29<br />
Drain-Diffusion ( = 8nm ) 100 50 21<br />
C ZD (gesamt) 50<br />
Source-Zuleitung ( = 500nm ) 1000 4000 276<br />
Source-Diffusion ( = 8nm ) 100 50 21<br />
C ZS (gesamt) 297<br />
Tranisitor 5:<br />
d ox<br />
d ox<br />
d ox<br />
d ox<br />
d ox<br />
d ox<br />
d ox<br />
d ox<br />
d ox<br />
Drain-Zuleitung ( = 500nm ) 100 4150 29<br />
d ox<br />
C ZD (gesamt) 29<br />
Source-Zuleitung ( = 500nm ) 1000 4000 276<br />
d ox<br />
C ZS (gesamt) 276<br />
Die Drain-Bulk-Kapazität wird durch die Sperrschichtkapazität an den Drain-Diffusionen<br />
gebildet. Die Drain-Zuleitungen bestehen aus p + -dotiertem Silizium <strong>mit</strong><br />
19<br />
NA 1×10<br />
cm . Die Störstellenkonzentration im Bulk beträgt .<br />
Die Diffusionsspannung über den pn-Übergang berechnet sich nach Gl.(157) [31].<br />
Die Weite <strong>der</strong> Raumladungszone beträgt bei einem abrupten pn-Übergang<br />
und einer Sperrspannung von nach Gl.(158) .<br />
3 –<br />
16<br />
= ND 1×10<br />
cm 3 –<br />
=<br />
wRLZ = – 25V ,<br />
wRLZ =<br />
14nm ,<br />
U DB
Gate-Source- und<br />
Gate-Drain-Kapazitäten<br />
U D<br />
⎛NAND⎞ UT ln⎜-------------- ⎟ 25mV<br />
10<br />
⎝ 2 ⎠<br />
19 10 16<br />
10<br />
( 15 , ×10 ) 2<br />
⎛ ⎞<br />
= = ⋅ ln⎜------------------------------⎟<br />
= 08V ,<br />
⎝ ⎠<br />
wRLZ( UDB) wRLZ( -2,5V)<br />
=<br />
=<br />
n i<br />
wRLZ( -2,5V)<br />
= 14nm ,<br />
Für die Sperrschichtkapazität gilt:<br />
C' RLZ<br />
Charakterisierung <strong>der</strong> EOS-Transistoren 70<br />
Kennlinien und Parameter<br />
(157)<br />
(158)<br />
(159)<br />
(160)<br />
– 12 As<br />
ε0ε 39 , ⋅ 8,<br />
854×10<br />
-------<br />
SiO2<br />
Vm<br />
= ----------------- = ----------------------------------------------------- und CRLZ = WLC'RLZ . (161)<br />
w RLZ<br />
Bei den Drain-Zuleitungen handelt es sich nicht um einen abrupten pn-Übergang<br />
son<strong>der</strong>n um einen Übergang nach einer Gauß-Funktion. Die Weite <strong>der</strong> Raumladungszone<br />
wird da<strong>mit</strong> weit über dem berechneten Wert in Gl.(160) liegen. Abschätzungen<br />
[32] ergeben eine Weite <strong>der</strong> Raumladungszone von = 1μm .<br />
Die Sperrschichtkapazität <strong>der</strong> Drain-Zuleitungen <strong>der</strong> Transistoren 3,4 und 5<br />
ist in Tab. 7 berechnet. Für die Source-Zuleitungen spielt die Sperrschichtkapazität<br />
keine Rolle, da das Bulk auf Source-Potential liegt.<br />
Tab. 7: Sperrschichtkapazitäten <strong>der</strong> Zuleitungen. Die flächenspezifische Sperr-<br />
– 6<br />
schichtkapazität beträgt 24 7×10<br />
F/m .<br />
2<br />
= ,<br />
Transistor 3:<br />
2ε0ε SiO2<br />
-------------------q<br />
1 ⎛ 1<br />
------ + ------ ⎞<br />
⎝NAN⎠ ( UD – UDB) D<br />
– 14 F<br />
2⋅39 , ⋅ 8854 , ×10 -----cm<br />
------------------------------------------------------------10<br />
– 19<br />
1602 , ×10 C<br />
19 – cm 3<br />
10 16 – cm 3<br />
( + ) ( 08V , + 25V , )<br />
w RLZ<br />
W [µm] L [µm] C RLZ [pF]<br />
Drain-Zuleitung C DB 100 3700 9,1<br />
Transistor 4 und 5:<br />
C' RLZ<br />
w RLZ<br />
Drain-Zuleitung C DB 100 4150 10,2<br />
Die Gate-Source- und die Gate-Drain-Kapazitäten bilden sich zwischen dem Elektrolyt<br />
und dem Kanalbereich über die dünne Oxidschicht (8nm) aus. Die Kapazität<br />
unterscheidet sich bei den verschiedenen Transistoren durch die Kanalgeometrie.<br />
Zur Vereinfachung wird die Oxidkapazität zwischen Elektrolyt und Kanalbereich<br />
bestimmt und jeweils zur Hälfte <strong>der</strong> Gate-Source- und Gate-Drain-Kapazität zugerechnet.<br />
Tab. 8: Oxidkapazitäten zum Kanalbereich. Die Werte ergeben sich aus Gl.(155)<br />
und Gl.(156). Die flächenspezifische Oxidkapazität für eine Oxiddicke von<br />
– 3<br />
= 8nm beträgt C'ox 43×10<br />
F/m .<br />
2<br />
=<br />
,<br />
d ox<br />
U DB<br />
W [µm] L [µm] C ox [pF] C GS ,C GD [pF]<br />
Transistor 3 (Kanal) 6 2 0,05 0,025<br />
Transistor 4, 5 (Kanal) 4 2 0,04 0,02
5.2.Frequenzverhalten<br />
Charakterisierung <strong>der</strong> EOS-Transistoren 71<br />
Frequenzverhalten<br />
Die großen parasitären Kapazitäten <strong>der</strong> Zuleitungen <strong>der</strong> EOS-Transistoren führen<br />
dazu, daß Spannungsän<strong>der</strong>ungen am Gate <strong>mit</strong> steigenden Frequenzen immer kleinere<br />
Än<strong>der</strong>ungen des Source-Drain-Stroms bewirken und sich die Phasenbeziehung<br />
zwischen <strong>der</strong> Gate-Source-Spannung und dem Source-Drain-Strom än<strong>der</strong>t.<br />
Zur Untersuchung des Frequenzverhaltens <strong>der</strong> Transistoren wurden Amplitudenfrequenzgang-<br />
und Phasenfrequenzgangmessungen durchgeführt.<br />
5.2.1. Frequenzgangmessung <strong>der</strong> EOS-Transistoren<br />
Meßaufbau Die Abb. 45 zeigt den Meßaufbau für die Frequenzgangmessung <strong>der</strong> EOS-Transistoren.<br />
Der Aufbau entspricht <strong>der</strong> Verschaltung <strong>der</strong> Transistoren zur <strong>Messung</strong> <strong>der</strong><br />
extrazellulären Spannungen an <strong>Zellen</strong> (Abb. 14). Die Transistoren werden im<br />
Arbeitspunkt UDS = UGS = – 25V , betrieben. Der Drain-Anschluß <strong>der</strong> Transistoren<br />
wird über einen IU-Umsetzer auf virtuellem Masse-Potential gehalten. Der Kleinsignalanteil<br />
des Source-Drain-Stroms wird vom IU-Umsetzer in eine Spannung umgesetzt<br />
und verstärkt.<br />
-U DS<br />
Frequenzgenerator<br />
~<br />
+2,5V<br />
S<br />
D<br />
IU-<br />
Wandler<br />
Frequenz<br />
Lock-In-<br />
Verstärker<br />
Amplitude<br />
HPIB-Schnittstelle<br />
Frequenzgang<br />
Software veetest<br />
Abb. 45: Meßaufbau zur Frequenzgangmessung <strong>der</strong> Cultus-Transistoren. Die<br />
Frequenzgangmessung wird über die HPIB-Schnittstelle gesteuert,<br />
wobei das Programm „veetest“ von Hewlett Packard verwendet wird.<br />
Am Gate <strong>der</strong> Transistoren wird gegenüber dem Masse-Potential eine Sinusspannung<br />
angelegt, die durch einen Frequenzgenerator erzeugt wird. Es wird bei diesen<br />
<strong>Messung</strong>en die Spannung UGS im Kleinsignalbereich nicht nur über dem Gate <strong>der</strong><br />
Transistoren son<strong>der</strong>n im gesamten Elektrolyten geän<strong>der</strong>t, <strong>der</strong> die Transistoren und<br />
die Zuleitungen überdeckt. Bei <strong>Messung</strong>en von lokalen extrazellulären Spannungen<br />
an <strong>Zellen</strong> liegt dagegen die Spannung UGS nur über dem Gate-Bereich <strong>der</strong> Transistoren<br />
an und <strong>der</strong> Elektrolyt über den Zuleitung liegt auf festem Masse-Potential.<br />
Zur <strong>Messung</strong> des Amplitudenfrequenzgangs wird für unterschiedliche Frequenzen<br />
<strong>mit</strong> dem Lock-In-Verstärker die Amplitude des Ausgangssignals des IU-Umsetzers<br />
bestimmt. Die Amplitude des Signals bei unterschiedlichen Frequenzen wird auf die<br />
Amplitude bei einer frei gewählten Kalibrierungsfrequenz (100Hz) bezogen und in<br />
dB über dem Logarithmus <strong>der</strong> Frequenz dargestellt. Der Amplitudenfrequenzgang<br />
für ausgewählte Transistoren ist in den Abb. 57 und Abb. 59 dargestellt.<br />
Zur <strong>Messung</strong> des Phasenfrequenzgangs wird für unterschiedliche Frequenzen die<br />
Phasenverschiebung zwischen dem Signal des Frequenzgenerators (Referenzsignal)<br />
und dem Ausgangssignal des IU-Umsetzers gemessen und über dem Logarithmus<br />
<strong>der</strong> Frequenz dargestellt. Der Frequenzgenerator und <strong>der</strong> Lock-In-<br />
Verstärker wird durch ein Software-Programm über die HPIB-Schnittstelle gesteuert,<br />
so daß die <strong>Messung</strong> automatisch für unterschiedliche Frequenzen durchgeführt<br />
Phase
Charakterisierung <strong>der</strong> EOS-Transistoren 72<br />
Frequenzverhalten<br />
werden kann. Der Phasenfrequenzgang für ausgewählte Transistoren ist in den<br />
Abb. 58 und Abb. 60 dargestellt.<br />
5.2.1.1.Lock-In Verstärker<br />
Input-Referenz<br />
ω rt<br />
Für die <strong>Messung</strong>en wird ein Lock-In Verstärker des Models 5208 <strong>der</strong> Princeton<br />
Applied Research Corporation [4] verwendet. Der Lock-In Verstärker dient im Meßaufbau<br />
zur Bestimmung <strong>der</strong> Amplitude und <strong>der</strong> Phasenverschiebung des Ausgangssignals<br />
des IU-Umsetzers in Bezug auf ein Referenzsignal.<br />
Input-Meßsignal<br />
ω ϑ<br />
rt+<br />
Output ϕ<br />
ω rt<br />
Sinus-<br />
Oszillator<br />
Signal-Mixer<br />
Phasenschieber ϕ<br />
Tiefpaß<br />
ωrt-ωit+ ϕ<br />
ω rt-ω it<br />
ω rt+ω it<br />
ω rt-ω it<br />
Referenz-<br />
Mixer<br />
ωit+ ϑϕ -<br />
2ωrt- ωit+ ϑ+ ϕ<br />
ω it<br />
Intermediate<br />
frequency<br />
generator<br />
Intermediate<br />
frequency<br />
amplifier<br />
Phasenschieber ϕ<br />
Δ=ϑ−ϕ<br />
ωit+ Δ<br />
Abb. 46: Funktionsdiagramm des Lock-In-Verstärkers.<br />
Phasen-<br />
Detektor<br />
Tiefpaß<br />
Zeitkonstante<br />
Tiefpaß<br />
Die Abb. 46 zeigt ein Funktionsdiagramm des Lock-In-Verstärkers. Als Eingangssignal<br />
erhält <strong>der</strong> Lock-In Verstärker das Ausgangssignal des IU-Umsetzers und ein<br />
Referenzsignal, bezüglich dessen die Phasenverschiebung er<strong>mit</strong>telt werden soll.<br />
Bei dem Input-Meßsignal ( ωrt + ϑ ) muß es sich um ein Sinussignal handeln, das<br />
bezüglich des Referenzsignals ( ωrt ) um einen Winkel ϑ in <strong>der</strong> Phase verschoben<br />
ist. Die Frequenzen bei<strong>der</strong> Signale müssen identisch sein.<br />
Referenz-Mixer Das Signal des Frequenzgenerators wird als Referenzsignal dem Lock-In-Verstärker<br />
zugeführt (Input-Referenz). Ein spannungsgesteuerter Oszillator (Voltage Controlled<br />
Oszillator) erzeugt aus dem Referenzsignal ein phasengleiches Sinussignal<br />
( ), das im Referenz-Mixer <strong>mit</strong> einem internen Sinussignal ( ) (intermediate frequency)<br />
<strong>mit</strong> einer Frequenz von 1,005 MHz multipliziert wird. Die Multiplikation wird<br />
durchgeführt, da<strong>mit</strong> sich die Phasenverschiebung zwischen Meßsignal und Referenzsignal<br />
nach dem Signal-Mixer nur noch auf die interne Frequenz ( ) bezieht.<br />
Es entsteht nach Anwendung <strong>der</strong> Additionstheoreme6 ωrt ωit ωit Gl.(162) ein Differenzsignal<br />
( ωrt – ωit ) und ein Summensignal ( ωrt +<br />
ωit ) .<br />
6 Additionstheoreme:<br />
sinxsiny<br />
sinxcosy<br />
=<br />
1<br />
-- [ cos(<br />
x– y)<br />
– cos(<br />
x+ y)<br />
]<br />
2<br />
=<br />
1<br />
-- [ sin(<br />
x– y)<br />
+ sin(<br />
x+ y)<br />
]<br />
2<br />
ω it<br />
0°<br />
90°<br />
Output<br />
Amplitude<br />
Output Δ<br />
Σ<br />
Phase<br />
X 2<br />
Y 2<br />
X Y
Charakterisierung <strong>der</strong> EOS-Transistoren 73<br />
Frequenzverhalten<br />
In einem anschließenden Phasenschieber wird das Ausgangssignal des Referenz-Mixers<br />
um einen beliebigen Winkel ϕ verschoben. Das Summensignal<br />
( ωrt + ωit + ϕ ) wird durch einen Tiefpaßfilter unterdrückt.<br />
Signal-Mixer Der Signal-Mixer multipliziert das Input-Meßsignal ( ωrt + ϑ ) <strong>mit</strong> dem phasenverschobenen<br />
Differenzsignal ( ωrt – ωit + ϕ ) des Referenz-Mixers. Das Input-Meßsignal<br />
<strong>mit</strong> <strong>der</strong> Amplitude A muß <strong>mit</strong> dem Referenzsignal in <strong>der</strong> Frequenz identisch<br />
sein, es ist aber zum Referenzsignal um den zu bestimmenden Winkel ϑ phasenverschoben.<br />
intermediate frequency<br />
amplifier<br />
sin(<br />
ωrt ) sin(<br />
ωit) =<br />
1<br />
-- [ cos(<br />
ωr – ωi)t– cos(<br />
ωr + ωi)t] . (162)<br />
2<br />
1<br />
-- Asin ωrt + ϑ<br />
2<br />
( ) cos ωr– ωi Bei <strong>der</strong> Multiplikation Gl.(163) entsteht wie<strong>der</strong>um ein Differenzsignal<br />
(163)<br />
( ωrt + ϑ)<br />
– ( ωrt– ωit + ϕ)<br />
= ωit + ϑ– ϕ = ωit + Δ <strong>mit</strong> Δ = ϑ– ϕ<br />
(164)<br />
und ein Summensignal<br />
( ( )t+ ϕ)<br />
=<br />
1<br />
-- A[<br />
sin(<br />
ωit + ϑ– ϕ)<br />
+ sin(<br />
2ωrt – ωit + ϑ+ ϕ)<br />
]<br />
4<br />
( ωrt + ϑ)<br />
+ ( ωrt– ωit + ϕ)<br />
= 2ωrt – ωit + ϕ + ϑ.<br />
(165)<br />
Die Resonanzfrequenz des nachfolgenden Verstärkers (intermediate frequency<br />
amplifier) liegt genau bei ωit , so daß nur das Differenzsignal ( ωit + Δ ) verstärkt<br />
wird und das Summensignal wegfällt. Das Verstärkerausgangssignal wird im ersten<br />
Kanal des Phasen-Detektors <strong>mit</strong> <strong>der</strong> internen Frequenz ωit , im zweiten Kanal <strong>mit</strong><br />
<strong>der</strong> um genau 90° verschobenen internen Frequenz ωit multipliziert.<br />
Abb. 47: Amplitudengang in [dB] des intermediate frequency amplifier [4]
Real- und Imaginärteil<br />
0°-Phasen-Detektor:<br />
90°-Phasen-Detektor:<br />
Charakterisierung <strong>der</strong> EOS-Transistoren 74<br />
Frequenzverhalten<br />
(166)<br />
(167)<br />
Ein Tiefpaßfilter unterdrückt die Summenfrequenz ( 2ωit + ϑ– ϕ),<br />
so daß das<br />
Input-Meßsignal in den Realteil x und Imaginärteil y bezüglich des um den Phasenwinkel<br />
ϕ verschobenen Referenzsignals aufgespalten wird.<br />
Zeitkonstante Die Zeitkonstante, die vom Benutzer am Lock-In Verstärker eingestellt werden<br />
kann, bestimmt die Frequenz des Tiefpaßfilters. Um so größer die Zeitkonstante<br />
gewählt wird, desto größer wird die Rauschunterdrückung. Im Idealfall liegt hinter<br />
dem Filter nur noch ein Gleichspannungsanteil vor, dessen Wert sich <strong>mit</strong> dem Realund<br />
Imaginärteil des Meßsignals än<strong>der</strong>t. Die Amplitude des Meßsignals ergibt sich<br />
aus:<br />
(169)<br />
⎛1 -- A⎞<br />
. (170)<br />
⎝8⎠ 2<br />
( sinΔ)<br />
2<br />
( cosΔ)<br />
2<br />
( + )<br />
Autoset Die Amplitude A, die Phasenverschiebung ϕ und <strong>der</strong> Winkel Δ können <strong>mit</strong> dem<br />
Lock-In Verstärker bestimmt werden. Der Verstärker bietet die Möglichkeit automatisch<br />
die Phasenverschiebung ϕ so zu wählen, daß sie genau <strong>der</strong> Phasenverschiebung<br />
zwischen dem Meßsignal und dem Referenzsignal entspricht. Dazu än<strong>der</strong>t <strong>der</strong><br />
Lock-In Verstärker den Winkel ϕ, bis <strong>der</strong> Realteil x ein Maximum erreicht. Der Winkel<br />
Δ und <strong>der</strong> Imaginärteil y werden in diesem Fall Null.<br />
5.2.1.2.Ablaufsteuerung <strong>der</strong> Frequenzgangmessung<br />
Phasenfrequenzgang<br />
1<br />
-- Asin( ωit + ϑ– ϕ)<br />
sin(<br />
ωit) 4<br />
1<br />
-- Asin( ωit + ϑ– ϕ)<br />
cos(<br />
ωit) 4<br />
=<br />
=<br />
1<br />
-- A[ cos(<br />
ϑ– ϕ)<br />
– cos(<br />
2ωit + ϑ– ϕ)<br />
]<br />
8<br />
1<br />
-- A[ sin(<br />
ϑ– ϕ)<br />
+ sin(<br />
2ωit + ϑ– ϕ)<br />
]<br />
8<br />
1<br />
x = -- AcosΔ <strong>mit</strong> Δ = ϑ– ϕ<br />
(168)<br />
8<br />
y<br />
=<br />
1<br />
-- A<br />
8<br />
1<br />
-- AsinΔ 8<br />
=<br />
Die Frequenzgangmessungen werden automatisiert durchgeführt, um Verläufe <strong>mit</strong><br />
möglichst vielen Meßpunkten zu erhalten. Die <strong>Messung</strong>en werden über die HPIB-<br />
Schnittstelle gesteuert, wobei das Programm „veetest“ von Hewlett Packard verwendet<br />
wird.<br />
Der Lock-In-Verstärker bietet grundsätzlich zwei Möglichkeiten, die Phasenverschiebung<br />
zwischen Meßsignal und Referenzsignal für unterschiedliche Frequenzen<br />
zu bestimmen.<br />
Die erste Möglichkeit besteht darin, bei je<strong>der</strong> Frequenz erneut die Autoset-Funktion<br />
des Lock-In-Verstärkers durchzuführen, wobei die absolute Phasenverschiebung<br />
zwischen Meßsignal und Referenzsignal er<strong>mit</strong>telt wird. Dieser Vorgang läuft<br />
vergleichsweise langsam ab, da zur Bestimmung <strong>der</strong> Phase die interne Phasenver-
Amplitudenfrequenzgang<br />
Charakterisierung <strong>der</strong> EOS-Transistoren 75<br />
Frequenzverhalten<br />
schiebung ϕ des Lock-In-Verstärkers so lange erhöht wird, bis <strong>der</strong> Realteil x ein<br />
Maximum erreicht.<br />
Sehr viel schneller kann <strong>der</strong> Winkel Δ bestimmt werden, <strong>der</strong> sich direkt aus dem<br />
Imaginärteil y und Realteil x ergibt. Um die absolute Phasenverschiebung ϑ zu<br />
errechnen, muß dann eine Kalibrierung durchgeführt werden, wobei dabei die Auto-<br />
Set-Funktion des Lock-In-Verstärkers genutzt wird. Die Auto-Set-Funktion wird am<br />
Anfang je<strong>der</strong> Frequenzgangmessung durchgeführt. ϕ ist die Phasenverschiebung<br />
zwischen Meßsignal und Referenzsignal bei <strong>der</strong> Kalibrierungsfrequenz. Wird für<br />
jede beliebige Frequenz <strong>der</strong> Winkel Δ bestimmt, kann daraus die Phasenverschiebung<br />
berechnet werden.<br />
ϑ =<br />
Δ + ϕ<br />
(171)<br />
Zur Aufnahme des Amplitudenfrequenzgangs kann direkt die Amplitude des Meßsignals<br />
aus dem Lock-In-Verstärker ausgelesen werden. Das Ausgangssignal entspricht<br />
dem Effektivwert <strong>der</strong> Amplitude.<br />
5.2.1.3.Programmbeschreibung<br />
Abb. 48 stellt die Bedienungsoberfläche, Abb. 54 und Abb. 55 den gesamten<br />
Signalfluß zur Steuerung <strong>der</strong> Frequenzgangmessung dar. Die einzelnen Objekte<br />
sind fortlaufend nummeriert. An <strong>der</strong> linken Seite gehen in die Objekte die Eingangsgrößen<br />
ein, an <strong>der</strong> rechten Seite liegen nach <strong>der</strong> Verarbeitung die Ausgangsgrößen<br />
an. Zusätzlich besitzen alle Objekte an <strong>der</strong> oberen Seite einen Steuereingang, <strong>der</strong><br />
optional verwendet werden kann. Ein Objekt wird nur dann aktiviert, wenn an allen<br />
Eingängen die Eingangsgrößen anliegen. Ist <strong>der</strong> Steuereingang angeschlossen, so<br />
muß auch an diesem Eingang ein Signal anliegen, da<strong>mit</strong> die Anweisungen im inneren<br />
des Objekts ausgeführt werden. Sobald die Bearbeitung des Objekts abgeschlossen<br />
ist und die Daten an den Ausgängen gültig sind, liegt am<br />
Steuerungsausgang an <strong>der</strong> unteren Seite des Objekts ein Signal an.<br />
Abb. 48: Bedienungsoberfläche zur Steuerung <strong>der</strong> Frequenzgangmessung.<br />
Entwickelt <strong>mit</strong> veetest von HP.
FunktionsgeneratorGrundeinstellungen<br />
(71)<br />
Spannungquelle<br />
U DS (69)<br />
Charakterisierung <strong>der</strong> EOS-Transistoren 76<br />
Frequenzverhalten<br />
Vor Beginn <strong>der</strong> <strong>Messung</strong> wird <strong>der</strong> Funktionsgenerator HP3314 in eine Grundeinstellung<br />
gebracht, die in den Objekten 72 und 73 spezifiziert ist. Der Funktionsgenerator<br />
HP3314 wird unter <strong>der</strong> Adresse 707 angesprochen.<br />
Abb. 49: Funktions-Generator: Grundeinstellungen (71)<br />
In Objekt 69 wird die Spannung U DS eingestellt, die in Objekt 70 angegeben ist.<br />
Dabei ist zu beachten, daß für einen p-Kanal-Transistor Source gegenüber Drain<br />
auf positiverem Potential liegen muß, d.h. daß U DS negativ ist. Im Schaltungsaufbau<br />
liegt Drain auf Masse-Potential, so daß die an <strong>der</strong> Spannungsquelle eingestellte<br />
Spannung (-U DS ) entspricht. Als Spannungs- bzw. Stromquelle dient <strong>der</strong><br />
Parameter-Analyzer HP4145a <strong>mit</strong> <strong>der</strong> Adresse 730. Es können in Objekt 69 <strong>der</strong> verwendete<br />
Kanal des Parameter-Analyzers und die Betriebsart (Spannungsquelle<br />
o<strong>der</strong> Stromquelle) ausgewählt werden. Die Begrenzung gibt beim Betrieb als Spannungsquelle<br />
den maximalen Strom, beim Betrieb als Stromquelle die maximale<br />
Spannung an. Für diese <strong>Messung</strong> wird <strong>der</strong> Kanal 1 (SMU1) als Spannungsquelle<br />
betrieben.<br />
<strong>Messung</strong> I DS (75) Zur Kontrolle des Arbeitspunkts wird in Objekt 75 <strong>der</strong> konstante Strom im eingestellten<br />
Arbeitspunkt gemessen. Den Wert stellt <strong>der</strong> Parameter-Analyzer direkt zur<br />
Verfügung. Der ausgegebene Stromwert entspricht (-I DS ).<br />
Daten speichern<br />
(53)<br />
Abb. 50: Auslesen von I DS aus dem Parameter-Analyzer HP4145a (75)<br />
Das Objekt „Bemerkungen in File schreiben“ (53) legt einen Lock-File an, in dem<br />
alle eingegebenen Werte und alle gemessenen Werte im ASCII-Format gespeichert<br />
werden. Mittels vordefinierter Objekte wird <strong>der</strong> File-Name und ein Bemerkungstext<br />
bei <strong>der</strong> Ausführung des Objekts abgefragt.<br />
Abb. 51: Bemerkungen in File schreiben (53)
Einstellungen<br />
Funktionsgenerator<br />
für Kalibrierung<br />
(41)<br />
Lock-In-Verstärker<br />
Autoset (7)<br />
Phasenverschiebung<br />
bei Kalibrierung<br />
(57)<br />
<strong>Messung</strong> Lock-In-<br />
Verstärker (6)<br />
Charakterisierung <strong>der</strong> EOS-Transistoren 77<br />
Frequenzverhalten<br />
Bei <strong>der</strong> Kalibrierung wird die absolute Phasenverschiebung ϕ zwischen dem Meßsignal<br />
und dem Referenzsignal bestimmt, um die bei den nachfolgenden <strong>Messung</strong>en<br />
gemessene relative Phasenverschiebung bezüglich des Meßsignals bei <strong>der</strong><br />
Kalibrierungsfrequenz in eine absolute Phasenverschiebung umzurechen. Bei den<br />
durchgeführten Frequenzgangmessungen wurde als Kalibrierungsfrequenz 100Hz<br />
gewählt, da bei dieser Frequenz <strong>der</strong> Lock-In-Verstärker genaue Ergebnisse liefert<br />
und die Phasenverschiebung des Transistors noch klein ist.<br />
Abb. 52: Lock-In-Verstärker Grundeinstellungen (7)<br />
Zur Bestimmung <strong>der</strong> absoluten Phasenverschiebung wird die Autoset-Funktion<br />
des Lock-In-Verstärkers durchgeführt. In Objekt 7.0 wird neben an<strong>der</strong>en Grundeinstellungen<br />
diese Funktion gestartet. Die nachfolgende Schleife (Objekt 7.1 bis 7.4)<br />
wird so lange durchlaufen, bis <strong>der</strong> Lock-In-Verstärker ein positives Quittungssignal<br />
nach Abschluß <strong>der</strong> Autoset-Funktion sendet.<br />
Aus den Werten des Lock-In-Verstärker wird in Objekt 57 durch mehrere Umrechnungen<br />
die Phasenverschiebung ϕ bei <strong>der</strong> Kalibrierungsfrequenz berechnet. Dabei<br />
kann ϕ einen Wert zwischen +/-180° annehmen.<br />
Objekt 13 stellt den Beginn einer Schleife dar, wobei die Frequenz in logarithmischen<br />
Schritten nach jedem Durchlauf erhöht wird, bis die maximale Frequenz<br />
erreicht ist. In Objekt 9 wird <strong>der</strong> Funktionsgenerator auf die aktuelle Frequenz eingestellt.<br />
Worauf <strong>mit</strong> dem Lock-In-Verstärker die Phasenverschiebung und die<br />
Amplitude bestimmt werden kann.<br />
Bevor <strong>der</strong> Wert für die Amplitude aus dem Lock-In-Verstärker ausgelesen werden<br />
kann, muß <strong>der</strong> richtige Meßbereich des Verstärkers gewählt werden. Dazu stellt <strong>der</strong><br />
Verstärker eine Auto-Range-Funktion zur Verfügung, die automatisch den besten<br />
Meßbereich einstellt. Diese Funktion wird <strong>mit</strong> Objekt 6.5 gestartet. Zur Meßbereichseinstellung<br />
erhöht <strong>der</strong> Lock-In-Verstärker so lange die Empfindlichkeit seines<br />
Meßbereichs, bis das Ausgangssignal übersteuert ist. Anschließend wird die Empfindlichkeit<br />
wie<strong>der</strong> um einen Bereich zurückgesetzt. Die Zeit, die <strong>der</strong> Verstärker<br />
benötigt, um den richtigen Meßbereich einzustellen, nimmt <strong>mit</strong> höheren Frequenzen<br />
ab, dies wird im Objekt „Wartezeit“ (6.7) berücksichtigt. Die Amplitude gibt den<br />
Effektivwert des Signals an, <strong>der</strong> in einen Scheitelwert umgerechnet wird (6.6). Die<br />
Phase entspricht <strong>der</strong> relativen Phasenverschiebung bezüglich des Signals bei <strong>der</strong><br />
Kalibrierungsfrequenz.
Abb. 53: <strong>Messung</strong> Lock-In-Verstärker (6)<br />
Charakterisierung <strong>der</strong> EOS-Transistoren 78<br />
Frequenzverhalten<br />
dB-Umrechnung Die Amplitude wird in Objekt 16 in einen dB-Wert umgerechnet, <strong>der</strong> sich auf den<br />
in Objekt 68 angegebenen Wert bezieht.<br />
Darstellung <strong>der</strong><br />
Daten (15,17)<br />
Daten speichern<br />
(54)<br />
In den Diagrammen 15 und 17 wird <strong>der</strong> Amplitudenfrequenzgang in dB und <strong>der</strong><br />
Phasenfrequenzgang logarithmisch dargestellt. In Objekt 67 wird die absolute Phasenverschiebung<br />
errechnet.<br />
Die Meßwerte werden in folgen<strong>der</strong> Reihenfolge in die Datei geschrieben: Frequenz,<br />
Amplitude, Amplitude in dB, Phasenverschiebung. Es wird dabei nur die<br />
relative Phasenverschiebung und die Phasenverschiebung bei <strong>der</strong> Kalibrierungsfrequenz<br />
gespeichert.
Charakterisierung <strong>der</strong> EOS-Transistoren 79<br />
Frequenzverhalten<br />
Frequenz<br />
Amplitude<br />
Phase<br />
Abb. 54: Flußdiagramm (Teil1) zur Ablaufsteuerung <strong>der</strong> Frequenzgangmessung.<br />
Entwickelt <strong>mit</strong> <strong>der</strong> Software „veetest“.
Frequenz<br />
Amplitude<br />
Phase<br />
Abb. 55: Flußdiagramm (Teil2)<br />
Charakterisierung <strong>der</strong> EOS-Transistoren 80<br />
Frequenzverhalten
5.2.1.4.Messergebnisse<br />
Charakterisierung <strong>der</strong> EOS-Transistoren 81<br />
Frequenzverhalten<br />
Bevor die Frequenzgangmessungen <strong>der</strong> EOS-Transistoren durchgeführt werden<br />
können, muß <strong>der</strong> Amplituden- und Phasenfrequenzgang des IU-Umsetzers einschließlich<br />
des gesamten Messaufbaus bestimmt werden. Das Frequenzverhalten<br />
des IU-Umsetzers wird dabei durch die Kapazitäten an seinem Eingang stark beeinflußt<br />
(Kap. 4.1), die hauptsächlich durch die parasitären Kapazitäten <strong>der</strong> EOS-Transistoren<br />
gebildet werden. Um diesen Einfluß zu berücksichtigen, wird für jeden<br />
EOS-Transistor eine <strong>Messung</strong> des Amplituden- und Phasenfrequenzgangs des IU-<br />
Umsetzers durchgeführt, wobei <strong>der</strong> jeweilige EOS-Transistor in einem konstanten<br />
Arbeitspunkt als kapazitive Last an den Eingang des IU-Umsetzers gelegt wird<br />
(Abb. 56). Mit einem Frequenzgenerator wird über einen Wi<strong>der</strong>stand ein sinusförmiges<br />
Stromsignal unterschiedlicher Frequenz in den IU-Umsetzer eingeprägt. Das<br />
Spannungssignal des Frequenzgenerators dient dem Lock-In-Verstärker als Referenzsignal.<br />
Frequenzgenerator<br />
~<br />
-U DS<br />
+2,5V<br />
S<br />
D<br />
IU-<br />
Wandler<br />
Frequenz<br />
Lock-In-<br />
Verstärker<br />
Amplitude<br />
HPIB-Schnittstelle<br />
Frequenzgang<br />
Software veetest<br />
Abb. 56: Meßaufbau zur Frequenzgangmessung des IU-Umsetzers. Der entsprechende<br />
Transistor wird in einem festen Arbeitspunkt betrieben, so daß<br />
er für den IU-Umsetzer nur eine kapazitive Last darstellt.<br />
Der Meßaufbau für die Frequenzgangmessungen <strong>der</strong> EOS-Transistoren entspricht<br />
<strong>der</strong> Darstellung in Abb. 45. Die in Abb. 57 bis Abb. 60 abgebildeten Amplituden-<br />
und Phasenverläufe <strong>der</strong> EOS-Transistoren sind bereits um den Amplitudenund<br />
Phasenfrequenzgang des IU-Umsetzers korrigiert. Es wurden jeweils die ersten<br />
Transistoren einer Reihe (Transistoren a) vermessen.<br />
Die Ergebnisse <strong>der</strong> <strong>Messung</strong>en lassen sich in zwei unterschiedliche Frequenzgangverläufe<br />
einteilen. Bei den Transistoren <strong>der</strong> Reihen 3, 4, 5 und 7 liegt die 3dB-<br />
Knick-Frequenz bei knapp 100kHz, während bei den Transistoren <strong>der</strong> Reihen 9, 10<br />
und 11 die 3dB-Knick-Frequenz schon bei 10kHz erreicht wird. Der Frequenzgangverlauf<br />
<strong>der</strong> Transistoren scheint im wesentlichen von <strong>der</strong> Größe <strong>der</strong> Gate-Bereiche<br />
unabhängig zu sein. Die Transistoren <strong>der</strong> Reihen 3, 4, 5 und 7 unterscheiden sich<br />
vielmehr von den Transistoren <strong>der</strong> Reihen 9, 10 und 11 durch die Lage auf dem<br />
Cultus-Chip. Sie liegen auf <strong>der</strong> gegenüberliegenden Seite (Abb. 11).<br />
An dieser Stelle soll auf eine weitere Interpretation <strong>der</strong> Messergebnisse verzichtet<br />
werden, da bei den <strong>Messung</strong>en <strong>der</strong> lokalen extrazellulären Spannungen an<br />
Herzmuskelzellen (Kap. 7) die obere Grenze <strong>der</strong> Bandbreite des IU-Umsetzers<br />
unterhalb von 1kHz liegt. Die Messergebnisse zeigen, daß in diesem Frequenzbereich<br />
<strong>der</strong> Frequenzgang <strong>der</strong> EOS-Transistoren eine zu vernachlässigende Rolle<br />
spielt.<br />
Phase
Phase [DEG]<br />
Amplitude [dB]<br />
1<br />
0<br />
-1<br />
-2<br />
-3<br />
-4<br />
-5<br />
Transistor 3a<br />
Transistor 4a<br />
Transistor 5a<br />
Transistor 7a<br />
Charakterisierung <strong>der</strong> EOS-Transistoren 82<br />
Frequenzverhalten<br />
-6<br />
10 100 1k 10k 100k<br />
Frequenz [Hz]<br />
Abb. 57: Amplitudenfrequenzgang <strong>der</strong> Transistoren aus den Reihen 3, 4, 5 und 7.<br />
Die <strong>Messung</strong>en wurden jeweils an den ersten Transistoren einer Reihe<br />
(Transistoren a) durchgeführt.<br />
-165<br />
-180<br />
-195<br />
-210<br />
-225<br />
-240<br />
-255<br />
-270<br />
Transistor 3a<br />
Transistor 4a<br />
Transistor 5a<br />
Transistor 7a<br />
-285<br />
10 100 1k 10k 100k<br />
Frequenz [Hz]<br />
Abb. 58: Phasenfrequenzgang <strong>der</strong> Transistoren (a) aus den Reihen 3, 4, 5 und 7.
Phase [DEG]<br />
Amplitude [dB]<br />
1<br />
0<br />
-1<br />
-2<br />
-3<br />
-4<br />
-5<br />
-6<br />
-7<br />
Transistor 9a<br />
Transistor 10a<br />
Transistor 11a<br />
Charakterisierung <strong>der</strong> EOS-Transistoren 83<br />
Frequenzverhalten<br />
-8<br />
10 100 1k 10k 100k<br />
Frequenz [Hz]<br />
Abb. 59: Amplitudenfrequenzgang <strong>der</strong> Transistoren (a) aus den Reihen 9, 10 und<br />
11.<br />
-165<br />
-180<br />
-195<br />
-210<br />
-225<br />
-240<br />
-255<br />
-270<br />
Transistor 9a<br />
Transistor 10a<br />
Transistor 11a<br />
-285<br />
10 100 1k 10k 100k<br />
Frequenz [Hz]<br />
Abb. 60: Phasenfrequenzgang <strong>der</strong> Transistoren (a) aus den Reihen 9, 10 und 11.
<strong>Messung</strong> des intrazellulären Potentialverlaufs an Herzmuskelzellen 84<br />
6. <strong>Messung</strong> des intrazellulären Potentialverlaufs<br />
an Herzmuskelzellen<br />
Das intrazelluläre Potential von <strong>Zellen</strong> kann durch die Patch-Clamp-Technik<br />
gemessen und von außen über einen Injektionsstrom gesteuert werden. Zur Kontrolle<br />
<strong>der</strong> <strong>Messung</strong>en von lokalen extrazellulären Spannungen <strong>mit</strong> Feld-Effekt-Tansistoren,<br />
die in Kap. 7 beschrieben werden, ist es notwendig, eine Zelle gezielt zu<br />
stimulieren und den intrazellulären Potentialverlauf zu messen.<br />
In diesem Kapitel wird zunächst nur die <strong>Messung</strong> von Aktionspotentialen an Herzmuskelzellen<br />
<strong>mit</strong> <strong>der</strong> Patch-Clamp Technik beschrieben. Auf zeitgleiche <strong>Messung</strong>en<br />
<strong>mit</strong> Feld-Effekt-Transistoren wird erst in Kap. 7 eingegangen. Die <strong>Messung</strong>en<br />
werden auf einem Aufbau (Abb. 61) durchgeführt, <strong>der</strong> dem Aufbau in Kap. 7 entspricht.<br />
Abb. 61: Meßplatz <strong>mit</strong> Auflichtmikroskop, Mikromanipulator, Multiplexer- und<br />
Verstärkereinheit für die <strong>Messung</strong> <strong>der</strong> <strong>elektrischen</strong> <strong>Aktivität</strong> von<br />
Herzmuskelzellen <strong>mit</strong> EOS-Transistoren.<br />
Für die <strong>Messung</strong>en werden Herzmuskelzellen von erwachsenen (adulten) Ratten<br />
verwendet. Die <strong>Zellen</strong> werden kurz vor den <strong>Messung</strong>en isoliert und können in einer<br />
Nährlösung ca. 12 Stunden aufbewahrt werden. Zur Präparation <strong>der</strong> <strong>Zellen</strong> wird das<br />
Herz aus <strong>der</strong> Ratte herausgeschnitten und vom Blut gereinigt. Durch eine anschließende<br />
Spülung des Herzens <strong>mit</strong> einem Enzym (Collagenase) über die Aorta wird<br />
das Bindegewebe zwischen den Muskelzellen aufgelöst, so daß die einzelnen <strong>Zellen</strong><br />
in einer Lösung als Emulsion vorliegen. Im Anhang v befindet sich eine ausführliche<br />
Präparationsanleitung.<br />
Das Funktionsprinzip eines Patch-Clamp-Verstärkers wird in Kap. 6.1 dargestellt.<br />
In Kap. 6.2 wird die Vorgehensweise bei <strong>Messung</strong>en von Aktionspotentialen an<br />
Herzmuskelzellen beschrieben. Eine detaillierte Patch-Anleitung für Herzmuskelzellen<br />
enthält <strong>der</strong> Anhang vi.
6.1.Patch-Clamp-Technik<br />
<strong>Messung</strong> des intrazellulären Potentialverlaufs an Herzmuskelzellen 85<br />
Patch-Clamp-Technik<br />
Die Patch-Clamp-Technik ermöglicht es, das intrazelluläre Potential in Nervenzellen<br />
o<strong>der</strong> Muskelzellen zu messen und gleichzeitig den Strom I über die Zellmembran<br />
zu steuern (Current-Clamp-Mode, CC) o<strong>der</strong> aber ein intrazelluläres Potential<br />
vorzugegeben, das durch einen Strom I in <strong>der</strong> Zelle eingestellt wird (Voltage-<br />
Clamp-Mode, VC).<br />
Die Zelle wird bei Patch-Clamp-<strong>Messung</strong>en <strong>mit</strong> einer Mikro-Pipette aus Glas <strong>mit</strong><br />
einem Öffnungsdurchmesser von 2-4µm kontaktiert. Die Pipette ist dabei <strong>mit</strong> einem<br />
Elektrolyten (intrazelluläre Lösung) gefüllt, dessen Zusammensetzung <strong>der</strong> intrazellulären<br />
Flüssigkeit <strong>der</strong> Zelle ähnlich ist. Der Elektrolyt in <strong>der</strong> Pipette ist <strong>mit</strong> einem<br />
Silberchlorid-Draht <strong>mit</strong> dem Eingang eines IU-Umsetzers verbunden.<br />
Bei den <strong>Messung</strong>en ist eine „dichte“ Verbindung zwischen <strong>der</strong> Pipettenöffnung<br />
und dem Zellinneren notwendig. Dazu wird die Pipette so auf die Zellmembran aufgesetzt,<br />
daß die Membran an <strong>der</strong> Pipettenöffnung abdichtet und kein Strom aus <strong>der</strong><br />
Pipette in den Elektrolyten, <strong>der</strong> die Zelle umgibt, fließen kann. Der Wi<strong>der</strong>stand zwischen<br />
<strong>der</strong> Pipette und dem extrazellulären Elektrolyten sollte im Giga-Ohm-Bereich<br />
liegen (Giga-Seal). Ist eine Abdichtung in dieser Größenordnung erreicht, kann<br />
durch kurzen Unterdruck in <strong>der</strong> Pipette die Zellmembran durchgerissen werden, so<br />
daß eine Verbindung zwischen dem Elektrolyten in <strong>der</strong> Pipette und dem Zellinneren<br />
besteht. Über den Voltage-Clamp-Modus eines Patch-Clamp-Verstärkers kann die<br />
Spannung in <strong>der</strong> Zelle gesteuert und <strong>der</strong> dazu notwendige Strom I gemessen werden<br />
o<strong>der</strong> es kann über den Patch-Clamp-Verstärker im Current-Clamp-Modus <strong>der</strong><br />
Stromfluss I in die Zelle vorgegeben und das intrazelluläre Potential gemessen<br />
werden.<br />
I<br />
V p<br />
Abb. 62: Voltage-Clamp-Modus des Patch-Clamp-Verstärkers.<br />
Voltage-Clamp Die Abb. 62 zeigt schematisch die Verschaltung des Patch-Clamp-Verstärkers im<br />
Voltage-Clamp-Modus. Die Ausgangsspannung am Operationsverstärker A stellt<br />
sich so ein, daß die Spannung in <strong>der</strong> Pipette <strong>mit</strong> <strong>der</strong> vorgegebenen Spannung<br />
identisch ist ( ) 1 V0 Vp Vcom Vp = Vcom . Die Spannung V0 ist proportional zum Strom I <strong>der</strong><br />
durch die Pipette aus <strong>der</strong> Zelle fließt und kann verstärkt am Ausgang von Operationverstärker<br />
B, bezogen auf , gemessen werden.<br />
1 com = command<br />
V com<br />
R f<br />
A<br />
+<br />
V 0<br />
IU-Wandler<br />
V com<br />
B<br />
+<br />
V Iout
I<br />
<strong>Messung</strong> des intrazellulären Potentialverlaufs an Herzmuskelzellen 86<br />
Patch-Clamp-Technik<br />
V p<br />
Abb. 63: Current-Clamp-Modus des Patch-Clamp-Verstärkers.<br />
Current-Clamp Im Current-Clamp-Modus Abb. 63 des Patch-Clamp-Verstärkers wird <strong>der</strong> gleiche<br />
IU-Umsetzer verwendet. Die Spannung in <strong>der</strong> Pipette wird nicht mehr von außen<br />
vorgegeben, son<strong>der</strong>n durch eine Rückkopplung des Ausgangssignals des IU-<br />
Umsetzers gesteuert. Die Differenz zwischen <strong>der</strong> Spannung , die proportional<br />
dem vorgegebenen Strom ist, und <strong>der</strong> Ausgangsspannung des IU-Umsetzers,<br />
die proportional zum Strom durch die Pipette ist, wird über einen Regler C<br />
als Kommando-Spannung für den Operationsverstärker A vorgegeben. Die<br />
Spannung entspricht <strong>der</strong> Spannung in <strong>der</strong> Zelle, die sich einstellt, wenn<br />
<strong>der</strong> vorgegebene Strom aus <strong>der</strong> Zelle heraus fließt 2 Vp VIcom Icom VIout I<br />
Vcom Vcom = Vout .<br />
I com<br />
R f<br />
A<br />
+<br />
V 0<br />
V com<br />
IU-Wandler<br />
V out<br />
B<br />
+<br />
C<br />
Regler<br />
2<br />
Die Spannungen VIcom und VIout beziehen sich auf Vcom =<br />
Vout .<br />
V Iout<br />
V Icom
<strong>Messung</strong> des intrazellulären Potentialverlaufs an Herzmuskelzellen 87<br />
<strong>Messung</strong> von Aktionspotentialen an Herzmuskelzellen<br />
6.2.<strong>Messung</strong> von Aktionspotentialen an Herzmuskelzellen<br />
Die Abb. 64 zeigt eine aus einer adulten Ratte isolierte Herzmuskelzelle. Bei <strong>der</strong><br />
Päparation wird das Bindegewebe zwischen den einzelnen Herzmuskelzellen durch<br />
ein Enzym (Cologenaes) aufgelöst.<br />
Abb. 64: Präparierte Herzmuskelzelle aus einer adulten Ratte. Die Zelle (ca.<br />
80µm lang und ca. 20µm breit) ist von roten Blutkörperchen umgeben.<br />
In <strong>der</strong> rechten oberen Ecke befindet sich eine bereits abgestorbene<br />
Herzmuskelzelle.<br />
Beim Patchen von Muskel- bzw. Nervenzellen wird in <strong>der</strong> Regel <strong>mit</strong> Unterlicht-<br />
Mikroskopen gearbeitet, da<strong>mit</strong> die Patch-Pipette direkt von oben <strong>der</strong> Zellmembran<br />
angenähert werden kann. Zwischen <strong>der</strong> Zellembran und <strong>der</strong> Pipettenöffnung sollte<br />
nach Möglichkeit ein rechter Winkel bestehen, da<strong>mit</strong> sich zwischen Pipette und<br />
Membran eine gute Abdichtung ausbilden kann. Der Cultus-Chip ist lichtundurchlässig,<br />
so daß für die <strong>Messung</strong>en <strong>mit</strong> EOS-Transistoren nur <strong>mit</strong> einem Auflicht-<br />
Mikroskop gearbeitet werden kann (Abb. 61). Für die <strong>Messung</strong>en wird ein Objektiv<br />
verwendet, das in den Elektrolyten eintaucht, da<strong>mit</strong> Oberflächenreflektionen das<br />
Bild nicht beeinträchtigen. Durch diese Anordnung besteht zwischen <strong>der</strong> Objektivunterkante<br />
und <strong>der</strong> Zellmembran ein nur ca. 2mm dicker Spalt (Abb. 65).<br />
Plexiglasschale<br />
ca. 2mm<br />
Objektiv<br />
Zelle<br />
Chip<br />
Pipette<br />
Abb. 65: Aufbau zum Patchen <strong>mit</strong> einem Auflicht-Mikroskop. Um die Pipette<br />
möglichst senkrecht auf die Zellmembran aufzusetzen, muß die Pipette<br />
doppelt gebogen werden.<br />
Um senkrecht <strong>mit</strong> <strong>der</strong> Pipette auf <strong>der</strong> Zelle aufsetzen zu können, hat sich eine<br />
doppelt gebogene Pipette bewährt (Abb. 65). Zur Herstellung solcher Pipetten<br />
wurde von T.Kind [29] ein Pipetten-Biegeverfahren entwickelt.
<strong>Messung</strong> des intrazellulären Potentialverlaufs an Herzmuskelzellen 88<br />
<strong>Messung</strong> von Aktionspotentialen an Herzmuskelzellen<br />
Vorbereitungen Die <strong>Messung</strong>en können nicht in <strong>der</strong> Nährlösung durchgeführt werden, son<strong>der</strong>n es<br />
ist eine spezielle Lösung (extrazelluläre Lösung) notwendig, die den Abdichtungsvorgang<br />
zwischen <strong>der</strong> Pipette und <strong>der</strong> Zellmembran begünstigt. Im ersten Schritt<br />
wird die Plexiglasschale über dem Chip <strong>mit</strong> extrazellulärer Lösung gefüllt. Als Masseelektrode<br />
wird ein Silberchloriddraht eingetaucht und ein Zu- und Abfluß (Flow)<br />
für extrazelluläre Lösung so justiert, daß die extrazelluläre Lösung in <strong>der</strong> Plexiglasschale<br />
ausgetauscht werden kann.<br />
Herzmuskelzellen<br />
hinzugeben<br />
Herzmuskelzellen<br />
auswählen<br />
Ist <strong>der</strong> Aufbau soweit vorbereitet, kann ein Tropfen Nährlösung <strong>mit</strong> Herzmuskelzellen<br />
hinzugegeben werden. Die <strong>Zellen</strong> setzen sich langsam auf <strong>der</strong> Chipoberfläche<br />
ab (Abb. 66). In einem folgenden Spülvorgang (Spülung <strong>mit</strong> mind. 10ml<br />
extrazellulärer Lösung) wird über den Flow die extrazelluläre Lösung ausgetauscht,<br />
da<strong>mit</strong> sich die hinzugegebene Nährlösung stark verdünnt. Nach abgeschlossenem<br />
Spülvorgang wird <strong>der</strong> Flow abgeschaltet und <strong>der</strong> Zu- und Abfluß kann entfernt werden.<br />
Abb. 66: Der Cultus-Chip ist bedeckt <strong>mit</strong> extrazellulärer Lösung. Auf <strong>der</strong> Chip-<br />
Oberfläche haben sich Herzmuskelzellen abgesetzt. Die großen<br />
schwarzen Kreise sind Luftblasen, die an <strong>der</strong> Chip-Oberfläche haften.<br />
Für die <strong>Messung</strong>en muß aus den auf <strong>der</strong> Chip-Oberfläche abgesetzten Herzmuskelzellen<br />
eine geeignete Zelle ausgewählt werden. Es eignen sich <strong>Zellen</strong> beson<strong>der</strong>sgut,<br />
die schon genau über dem Gate von EOS-Transistoren liegen, da<strong>mit</strong> die<br />
<strong>Zellen</strong> später nicht umgesetzt werden müssen. Die Oberfläche <strong>der</strong> <strong>Zellen</strong> sollte<br />
keine stark ausgeprägte „Maiskolben-Struktur“ aufweisen. Langsames Zucken <strong>der</strong><br />
<strong>Zellen</strong> ist unproblematisch, da die Lösung in <strong>der</strong> Pipette die Substanz EGTA enthält.<br />
EGTA bindet die Ca 2+ Ionen in <strong>der</strong> Zelle, so daß eine Kontraktion nicht mehr<br />
möglich ist.<br />
Pipette füllen Parallel zum Spülvorgang kann die gebogene Pipette <strong>mit</strong> intrazellulärer Lösung<br />
gefüllt werden. Dazu wird sie in intrazelluläre Flüssigkeit eingetaucht (Halterung),<br />
so daß sie sich über Kapillarwirkung von unten füllt. Ist die Flüssigkeit von <strong>der</strong><br />
unteren Öffung bis zum zweiten Knick in die Pipette eingedrungen, kann <strong>der</strong> restliche<br />
Teil von oben über eine Kanüle <strong>mit</strong> intrazellulärer Lösung aufgefüllt werden.<br />
Luftblasen lösen sich ggf. durch leichtes Klopfen.
Pipette eintauchen<br />
<strong>Messung</strong> des intrazellulären Potentialverlaufs an Herzmuskelzellen 89<br />
<strong>Messung</strong> von Aktionspotentialen an Herzmuskelzellen<br />
Abb. 67: Direkt über dem Gate eines EOS-Transistors liegt eine Herzmuskelzelle<br />
(rechts oben). Die drei runden Objekte sind abgestorbene <strong>Zellen</strong>.<br />
Die gefüllte Pipette wird nun am Patch-Clamp-Verstärker eingesetzt und senkrecht<br />
ausgerichtet. Bevor die Pipette in die Flüssigkeit eingetaucht wird, muß unbedingt<br />
ein Überdruck (ca. 15cm Wassersäule) in <strong>der</strong> Pipette erzeugt werden, da<strong>mit</strong><br />
sich kein Schmutz an <strong>der</strong> Öffnung festsetzen kann. Der Überdruck wird durch eine<br />
30ml Spritze hergestellt und über eine Wassersäule kontrolliert.<br />
Der Patch-Clamp-Verstärker wird beim Eintauchen <strong>der</strong> Pipette im Voltage-Clamp-<br />
Search-Modus betrieben. Der Search-Modus führt zu einem automatischen Offsetabgleich.<br />
Der Offsetabgleich muß dennoch durch eine manuelle Regelung am<br />
Patch-Clamp-Verstärker eingestellt werden, um den Verstärker anschließend in den<br />
Voltage-Clamp-Modus zu schalten. Ein Testimpuls (10mV, 10ms) ermöglicht <strong>mit</strong> <strong>der</strong><br />
Patch-Clamp-Software die Bestimmung des Pipettenwi<strong>der</strong>standes. Gute Erfahrungen<br />
beim Patchen an Herzmuskelzellen wurden <strong>mit</strong> Pipetten <strong>mit</strong> einem Wi<strong>der</strong>stand<br />
zwischen 17MΩ , und 22MΩ ,<br />
gemacht.<br />
Abb. 68: Zwischen <strong>der</strong> Zellmembran einer Herzmuskelzelle und <strong>der</strong> Pipettenöffnung<br />
(im Kreis<strong>mit</strong>telpunkt) hat sich ein Giga-Seal ausgebildet. Durch<br />
kurzen Unterdruck in <strong>der</strong> Pipette wurde die Zellmembran durchgerissen.
Absenken <strong>der</strong><br />
Pipette<br />
<strong>Messung</strong> des intrazellulären Potentialverlaufs an Herzmuskelzellen 90<br />
<strong>Messung</strong> von Aktionspotentialen an Herzmuskelzellen<br />
Die Position <strong>der</strong> Pipette wird über einen Mikromanipulator gesteuert. Beim Absenken<br />
wird die Pipettenöffnung <strong>mit</strong> <strong>der</strong> Schärfenebene des Mikroskops verfolgt. Der<br />
Abstand zwischen Zelloberfläche und Pipettenöffnung läßt sich durch Verstellen<br />
<strong>der</strong> Schärfenebene er<strong>mit</strong>teln. Die Pipette wird soweit abgesenkt bis sich die Zellmembran<br />
deutlich eindellt und sich <strong>der</strong> Pipettenwi<strong>der</strong>stand um ca. 3– 4MΩerhöht.<br />
Das letzte Heranfahren erfolgt <strong>mit</strong> <strong>der</strong> langsamsten Geschwindigkeit des Mikromanipulators.<br />
Liegt die Pipettenöffnung gut auf <strong>der</strong> Zellmembran auf, wird <strong>der</strong> Überdruck<br />
in <strong>der</strong> Pipette abgelassen und ein Unterdruck von ca. 10cm Wassersäule<br />
eingestellt.<br />
Seal Bei Erfolg wächst innerhalb weniger Minuten <strong>der</strong> Wi<strong>der</strong>stand zwischen Pipette<br />
und Bad (Seal-Wi<strong>der</strong>stand) an. Die Empfindlichkeit des Patch-Clamp-Verstärkers<br />
und die dazugehörige Softwareeinstellung muß dementsprechend nachgeregelt<br />
werden. Ab einem Seal-Wi<strong>der</strong>stand von 100MΩ kann die Haltespannung des Patch-<br />
Clamp-Verstärkers abgesenkt werden. Vor dem Durchreißen <strong>der</strong> Membran muß sie<br />
<strong>der</strong> intrazellulären Spannung (ca. -80mV) angepaßt sein.<br />
Mit dem Anstieg des Seal-Wi<strong>der</strong>stands kann am Patch-Clamp-Verstärker die<br />
Kapazität <strong>der</strong> Pipette kompensiert werden. Itterativ wird am Kapazitätsabgleich des<br />
Patch-Clamp-Verstärkers (C-Slow, C-Fast) eine Einstellung gesucht, bis das tatsächliche<br />
Stromsignal, das in die Zelle fließt, dem vorgegebenen rechteckigen<br />
Testimpulssignal entspricht.<br />
intracelluläre Spannung [mV]<br />
Stimulus [A]<br />
1n<br />
0<br />
40<br />
20<br />
0<br />
-20<br />
-40<br />
-60<br />
-80<br />
10 20 30 40 50 60 70<br />
time [ms]<br />
10 20 30 40 50 60 70<br />
time [ms]<br />
Abb. 69: Stimulationsimpuls (oben). Typischer Verlauf des Aktionspotentials von<br />
isolierten Herzmuskelzellen (unten).
Durchreißen <strong>der</strong><br />
Membran<br />
Stimulation <strong>der</strong><br />
Zelle<br />
<strong>Messung</strong> des intrazellulären Potentialverlaufs an Herzmuskelzellen 91<br />
<strong>Messung</strong> von Aktionspotentialen an Herzmuskelzellen<br />
Hat <strong>der</strong> Seal-Wi<strong>der</strong>stand eine Größenordnung von 1GΩ<br />
erreicht (Giga-Seal),<br />
kann die Zellmembran durchgerissen werden. Der Unterdruck in <strong>der</strong> Pipette wird<br />
dazu abgelassen und <strong>mit</strong> einer kleinen Spritze (5ml) wird ohne Wassersäule ein<br />
sehr kurz anhalten<strong>der</strong> Unterdruck erzeugt (Spritze vollständig durchziehen). Ist die<br />
Membran durchgerissen, übersteuert <strong>der</strong> Patch-Clamp Verstärker. Der Verstärker<br />
und die Software muß möglichst schnell auf Current-Clamp-Modus umgestellt werden.<br />
Bei einem „guten“ Seal liegt das intrazelluläre Ruhepotential bei -60 bis -<br />
80mV. Durch einen negativen Haltestrom kann bei einem „schlechten“ Seal das<br />
intrazelluläre Potential abgesenkt werden.<br />
Zur Stimulation <strong>der</strong> Zelle wird im Current-Clamp-Modus ein Stromimpuls in die<br />
Zelle injeziert, <strong>der</strong> über die Patch-Clamp-Software gesteuert werden kann. Die<br />
Amplitude und Länge des Impulses wird so eingestellt, daß <strong>der</strong> Impuls gerade ausreichend<br />
ist, die Zelle bis über die Reizschwelle zu depolarisieren. Zur Erregung<br />
von Herzmuskelzellen lieferten Impulse einer Länge von ca. 3-5ms und einer Höhe<br />
von ca. 1nA (Abb. 69 oben) die besten Ergebnisse.<br />
Die Abb. 69 (unten) stellt den Verlauf eines typischen Aktionspotentials dar, das<br />
an isolierten Herzmuskelzellen von adulten Ratten gemessen wurde. Nach <strong>der</strong><br />
Depolarisation <strong>der</strong> Zelle infolge des Stimulationsimpulses bis auf -30mV fällt das<br />
intrazelluläre Potential kurzzeitig leicht ab, steigt anschließend aber in einem steilen<br />
Aufstrich (ca. 2ms) schnell bis auf einen Überschuß von ca. +30mV an. Die<br />
Repolarisation erfolgt für Herzmuskelzellen typischerweise <strong>mit</strong> zwei Wendepunkten<br />
im Kurvenverlauf. Nach ca. 40ms ist das Membranruhepotential wie<strong>der</strong> erreicht.
<strong>Messung</strong>en von lokalen extrazellulären Spannungen <strong>mit</strong> EOS-Transistoren 92<br />
<strong>Messung</strong> von Aktionspotentialen an Herzmuskelzellen<br />
7. <strong>Messung</strong>en von lokalen extrazellulären<br />
Spannungen <strong>mit</strong> EOS-Transistoren<br />
Schwierigkeit <strong>der</strong><br />
<strong>Messung</strong>en<br />
In diesem Kapitel werden <strong>Messung</strong>en beschrieben, bei denen es erstmals gelungen<br />
ist, lokale extrazelluläre Spannungen an isolierten Herzmuskelzellen <strong>mit</strong> Feld-<br />
Effekt-Transistoren zu messen. Die Signale, die <strong>mit</strong> den Transistoren aufgenommen<br />
werden konnten, stehen in einem eindeutigen Zusammenhang <strong>mit</strong> dem Ablauf<br />
von Aktionspotentialen innerhalb <strong>der</strong> Herzmuskelzellen. Bei den Versuchen wurde<br />
<strong>der</strong> Cultus-Chip eingesetzt, <strong>der</strong> in Kap.3 beschrieben und dessen EOS-Transistoren<br />
in Kap. 5 charakterisiert wurden.<br />
Bei <strong>der</strong> Durchführung <strong>der</strong> <strong>Messung</strong>en werden die Herzmuskelzellen <strong>mit</strong> <strong>der</strong><br />
Patch-Clamp Technik kontaktiert, so daß die <strong>Zellen</strong> zum Ablauf eines Aktionspotentials<br />
stimuliert und <strong>der</strong> Membranspannungsverlauf registriert werden kann (Kap. 6).<br />
Gleichzeitig wird die Modulation des Source-Drain-Stroms des EOS-Transistors<br />
unterhalb <strong>der</strong> Zelle über einen IU-Umsetzer in eine Spannung umgesetzt, verstärkt<br />
(Kap. 4) und aufgezeichnet.<br />
Abb. 70: Multiplexer- und Verstärkereinheit im Meßaufbau. Oberhalb <strong>der</strong> DIP-<br />
Schalter (blau) befindet sich <strong>der</strong> Cultus-Chip.<br />
Die Schwierigkeit <strong>der</strong> <strong>Messung</strong>en liegt beson<strong>der</strong>s darin, daß mehrere Anfor<strong>der</strong>ungen<br />
gleichzeitig erfüllt sein müssen:<br />
(1) Erfolgreiches Patchen <strong>der</strong> Herzmuskelzelle, d.h. periodische Erzeugung von<br />
stabilen Aktionspotentialen über einen längeren Zeitraum.<br />
(2) Die Zelle muß das Gate des gewünschten EOS-Transistors abdecken und es<br />
darf nur ein schmaler Spalt zwischen <strong>der</strong> Zellembran und <strong>der</strong> Gateoxid-Oberfläche<br />
bestehen.<br />
(3) Der EOS-Transistor unterhalb <strong>der</strong> Zelle, die Multiplexer- und Verstärkereinheit<br />
und die Aufzeichnungssoftware muß zu dem Zeitpunkt, wenn Punkt (1)<br />
und (2) erfüllt ist, funktionsfähig sein.
<strong>Messung</strong>en von lokalen extrazellulären Spannungen <strong>mit</strong> EOS-Transistoren 93<br />
Ergebnisse <strong>der</strong> <strong>Messung</strong>en<br />
Im Rahmen dieser Arbeit waren viele Versuche notwendig, um diese drei Anfor<strong>der</strong>ungen<br />
gleichzeitig zu erfüllen.<br />
Die periodische Erzeugung von stabilen Aktionspotentialen durch einen Patch-<br />
Clamp über einen längeren Zeitraum konnte nach anfänglichen Mißerfolgen regelmäßig<br />
und zuverlässig erreicht werden.<br />
Liegt durch Zufall eine Herzmuskelzelle über dem Gate eines EOS-Transistors,<br />
kann diese Zelle für die <strong>Messung</strong>en verwendet werden. Ist dies nicht <strong>der</strong> Fall, muß<br />
eine an<strong>der</strong>e Zelle nach erfolgreichem Patchen <strong>mit</strong> <strong>der</strong> Pipette angehoben und auf<br />
dem Gate eines Transistors wie<strong>der</strong> abgesetzt werden. Dabei besteht jedoch die<br />
Gefahr, daß die Zelle an <strong>der</strong> Chip-Oberfläche haftet und <strong>der</strong> Seal beim Anheben<br />
<strong>der</strong> Zelle verloren geht. Die nachfolgenden Meßergebnisse wurden <strong>mit</strong> Herzmuskelzellen<br />
erzielt, die sich durch Zufall auf dem Gate eines Transistors abgesetzt<br />
haben. Als beson<strong>der</strong>s wichtig hat sich erwiesen, daß <strong>der</strong> jeweilige Transistor für die<br />
<strong>Messung</strong>en schon vor Beginn des Patchen eingeschaltet wird, da das Betätigen <strong>der</strong><br />
DIP-Schalter des Multiplexers starke Erschütterungen hervorruft und <strong>der</strong> IU-Umsetzer<br />
Zeit benötigt, den Arbeitspunktstrom des Transistors zu kompensieren.<br />
7.1.Ergebnisse <strong>der</strong> <strong>Messung</strong>en<br />
Bei mehreren voneinan<strong>der</strong> unabhängigen <strong>Messung</strong>en konnte im Rahmen dieser<br />
Arbeit eine Kopplung zwischen einer Herzmuskelzelle und dem darunterliegenden<br />
EOS-Transistors festgestellt werden. Die aufgenommenen Signalverläufe des Transistorstroms<br />
stehen dabei in einem Zusammenhang <strong>mit</strong> dem Ablauf eines Aktionspotentials<br />
in <strong>der</strong> Zelle. Es wurden bei den <strong>Messung</strong>en grundsätzlich unterschiedliche<br />
Signalverläufe festgestellt.<br />
Die Transistoren werden bei den <strong>Messung</strong>en in einem Arbeitspunkt von<br />
UGS = UDS = – 25V , betrieben. Der Arbeitspunktstrom kann aus den Kennlinien<br />
(Anhang iv) abgelesen werden. Bei den Transistoren <strong>der</strong> Reihe 5 beträgt <strong>der</strong> Strom<br />
im Arbeitspunkt ISD ≈<br />
150μA .<br />
Der intrazelluläre Signalverlauf und <strong>der</strong> Verlauf des Ausgangssignals des IU-<br />
Umsetzers wird während <strong>der</strong> <strong>Messung</strong>en <strong>mit</strong> <strong>der</strong> Hilfe <strong>der</strong> Patch-Clamp-Software<br />
(ISO2) aufgezeichnet, so daß eine spätere Auswertung und Mittelwertbildung möglich<br />
ist.<br />
Die Abb. 71 zeigt die Lage einer Herzmuskelzelle (Zelle 7) über einem EOS-Transistor<br />
(5b) in verschiedenen Einstellungen <strong>der</strong> Schärfenebene des Mikroskops. Im<br />
oberen Bild liegt die Oberfläche <strong>der</strong> Zellmembran in <strong>der</strong> Schärfenebene, die Öffnung<br />
<strong>der</strong> Pipette ist schwach zu erkennen. Im unteren Bild ist die Schärfe auf die<br />
Oberfläche des Chips eingestellt. Der Gate-Bereich ist deutlich sichtbar. Da die<br />
Unterseite <strong>der</strong> Zellmembran noch zu erkennen ist, kann angenommen werden, daß<br />
die Zelle auf <strong>der</strong> Siliziumoberfläche aufliegt.
<strong>Messung</strong>en von lokalen extrazellulären Spannungen <strong>mit</strong> EOS-Transistoren 94<br />
Ergebnisse <strong>der</strong> <strong>Messung</strong>en<br />
Abb. 71: Eine Herzmuskelzelle (Zelle 7) liegt über dem Gate des EOS-Transistors<br />
5b (unterschiedliche Schärfenebenen von oben nach unten). Bild<br />
oben: Die Oberfläche <strong>der</strong> Zelle liegt in <strong>der</strong> Schärfenebene. Direkt über<br />
dem Gate ist die Patch-Pipettenöffnung zu erkennen. Bild unten: Die
<strong>Messung</strong>en von lokalen extrazellulären Spannungen <strong>mit</strong> EOS-Transistoren 95<br />
Ergebnisse <strong>der</strong> <strong>Messung</strong>en<br />
Siliziumoberfläche liegt in <strong>der</strong> Schärfenebene, die Zellunterseite ist<br />
schemenhaft sichtbar. Im Verlauf <strong>der</strong> <strong>Messung</strong>en wird die Zelle <strong>mit</strong> <strong>der</strong><br />
Pipette auf das Gate gedrückt.<br />
Bei beiden <strong>Messung</strong>en hat sich gezeigt, daß erst nach einem leichten Andrücken<br />
<strong>der</strong> Zelle <strong>mit</strong> <strong>der</strong> Pipette eine Kopplung zwischen Zelle und Transistor meßbar wird.<br />
Das Ausgangssignal des IU-Umsetzers, daß den Kleinsignalanteil des Transistorstroms<br />
wi<strong>der</strong>spiegelt, enthält einen im Verhältnis zum Signal hohen Rauschanteil.<br />
Ein eindeutiger Signalverlauf ist erst nach Mittelung über mehrere Aktionspotentiale<br />
sichtbar.<br />
Die Abb. 72 zeigt die Signale bei einer Mittelung über 7 Aktionspotentiale. Die<br />
Daten stammen von <strong>Messung</strong>en an <strong>der</strong> Herzmuskelzelle (Zelle 7) <strong>der</strong> Abb. 71. Im<br />
oberen Diagramm <strong>der</strong> Abb. 72 ist <strong>der</strong> Stimulationsimpuls dargestellt, in <strong>der</strong> Mitte<br />
<strong>der</strong> Verlauf <strong>der</strong> intrazellulären Spannung und das untere Diagramm zeigt den Verlauf<br />
des Kleinsignalanteils des Transistorstroms 3 . Trotz des starken Rauschanteils<br />
ist ein deutlicher Zusammenhang zwischen dem intrazellulären Spannungsverlauf<br />
und dem Transistorsignal zu erkennen.<br />
Im Verlauf <strong>der</strong> <strong>Messung</strong>en än<strong>der</strong>t sich <strong>der</strong> intrazelluläre Verlauf des Aktionspotentials<br />
und <strong>der</strong> Verlauf des Transistorsignals leicht. Die Signalverläufe zu unterschiedlichen<br />
Zeitpunkten sowie Mittelungen über unterschiedlich viele Perioden<br />
sind im Anhang vii enthalten.<br />
3 Der Kleinsignalanteil des Transistorstroms wurde aus dem Ausgangssignal des IU-Umsetzers berechnet.<br />
Dazu wurde <strong>der</strong> Umsetzungsfaktor 0,1V/nA verwendet.
Strommodulation Transistor [A]<br />
intracelluläre Spannung [mV]<br />
Stimulus [A]<br />
1n<br />
0<br />
40<br />
20<br />
0<br />
-20<br />
-40<br />
-60<br />
-80<br />
2n<br />
1n<br />
500p<br />
0<br />
-500p<br />
-1n<br />
<strong>Messung</strong>en von lokalen extrazellulären Spannungen <strong>mit</strong> EOS-Transistoren 96<br />
Ergebnisse <strong>der</strong> <strong>Messung</strong>en<br />
10 20 30 40 50 60 70<br />
time [ms]<br />
10 20 30 40 50 60 70<br />
time [ms]<br />
10 20 30 40 50 60 70<br />
time [ms]<br />
Abb. 72: <strong>Messung</strong> an Zelle 7 <strong>mit</strong> Transistor 5b. Mittelwert über 7 <strong>Messung</strong>en<br />
(Bil<strong>der</strong> 813-819 in iso-Datenaufzeichnung).
<strong>Messung</strong>en von lokalen extrazellulären Spannungen <strong>mit</strong> EOS-Transistoren 97<br />
Ergebnisse <strong>der</strong> <strong>Messung</strong>en<br />
Die Abb. 73 zeigt die Positionierung <strong>der</strong> Herzmuskelzelle (Zelle 16) über dem<br />
Transistor (5c). Obwohl die Zelle das Gate des EOS-Transistors nur <strong>mit</strong> dem Rand<br />
abdeckt, kann zeitgleich zum Aktionspotential ein Transistorsignal beobachtet werden.<br />
Abb. 73: Herzmuskelzelle (Zelle 16) liegt über dem Gate des EOS-Transistors 5c.<br />
Obwohl die Zelle den Gatebereich nur <strong>mit</strong> dem Rand abdeckt, werden<br />
gute Messergebnisse erzielt. Bild oben: Die „Maiskolben-Struktur“ <strong>der</strong><br />
Zelloberfläche und die Pipettenöffnung ist gut erkennbar. Bild unten:<br />
Der Gatebereich des EOS-Transistors liegt fast vollständig unter <strong>der</strong><br />
Zelle.<br />
Da<strong>mit</strong> das Ruhepotential <strong>der</strong> Zelle bei knapp -80mV gehalten werden kann, wird<br />
ein negativer Ruhestrom von -200pA in die Zelle eingeprägt. Ein negativer Ruhestrom<br />
ist notwendig, um das Ruhepotential zu halten, wenn <strong>der</strong> Seal zwischen<br />
Pipette und Membran leicht „undicht“ ist.<br />
Das Diagramm <strong>der</strong> Abb. 75 enthält die Ergebnisse <strong>der</strong> <strong>Messung</strong>en an Zelle 16. In<br />
Abb. 75 wurde <strong>der</strong> Mittelwert über den Ablauf von 73 Aktionspotentialen gebildet.
<strong>Messung</strong>en von lokalen extrazellulären Spannungen <strong>mit</strong> EOS-Transistoren 98<br />
Ergebnisse <strong>der</strong> <strong>Messung</strong>en<br />
Abb. 74: Nach verstärktem Andrücken <strong>der</strong> Herzmuskelzelle (Zelle 16) <strong>mit</strong> <strong>der</strong><br />
Patch-Pipette krümmt sich die Zelle leicht. Ihre elektrische <strong>Aktivität</strong> wird<br />
dadurch aber nicht beeinflußt.<br />
Die Transistorsignale an Zelle 7 (Abb. 72) und an Zelle 16 (Abb. 75) haben einen<br />
grundlegend unterschiedlichen Verlauf. Die „Peaks“, zeitgleich zum Aufstrich des<br />
Aktionspotentials, haben ein entgegengesetztes Vorzeichen.<br />
Genaue Aussagen über die Ursache <strong>der</strong> unterschiedlichen Signalverläufe bzw.<br />
eine Anpassung an das in Kap. 2 beschriebene Modell können erst nach weiteren<br />
<strong>Messung</strong>en gemacht werden.<br />
Im weiteren Verlauf <strong>der</strong> <strong>Messung</strong> wird die Pipette immer weiter abgesenkt, um<br />
die Zelle an die Siliziumoberfläche anzudrücken und den Spalt zwischen <strong>der</strong> Zellmembran<br />
und Chip-Oberfläche zu verkleinern. Es ist zunächst eine Verbesserung<br />
<strong>der</strong> Kopplung erkennbar, bis schließlich die Zelle abstirbt (Abb. 76). Die Zelle<br />
„knäult“ sich zu einer kleineren Kugel zusammen, kann aber weiterhin rein passiv<br />
umgeladen werden (Abb. 77). Es scheint sich um eine kapazitive und ohmsche<br />
Umladung zu handeln. Der kapazitive Anteil geht aus <strong>der</strong> Anstiegszeit des Signals<br />
hervor. Der ohmsche Anteil des Membranstroms läßt sich aus dem neuen „Ruhepotential“<br />
bestimmen, das sich intrazellulär messen läßt. Bei beiden <strong>Messung</strong>en, die<br />
durchgeführt wurden, kann in diesem Fall ein sehr starkes Transistorsignal beobachtet<br />
werden. Die Amplitude ist so groß, daß <strong>der</strong> IU-Umsetzer übersteuert. Das<br />
Signal ist ohne Mittelung eindeutig sichtbar. Die Ursache dieser starken Kopplung<br />
zwischen Zelle und Transistor muß noch näher untersucht werden.
Strommodulation Transistor [A]<br />
Stimulus [A]<br />
intracelluläre Spannung [mV]<br />
1n<br />
0<br />
-1n<br />
40<br />
20<br />
0<br />
-20<br />
-40<br />
-60<br />
-80<br />
500p<br />
0<br />
-500p<br />
-1n<br />
<strong>Messung</strong>en von lokalen extrazellulären Spannungen <strong>mit</strong> EOS-Transistoren 99<br />
Ergebnisse <strong>der</strong> <strong>Messung</strong>en<br />
10 20 30 40 50 60 70<br />
time [ms]<br />
10 20 30 40 50 60 70<br />
time [ms]<br />
10 20 30 40 50 60 70<br />
time [ms]<br />
Abb. 75: <strong>Messung</strong> an Zelle 16 <strong>mit</strong> Transistor 5c. Mittelwert über 73 <strong>Messung</strong>en<br />
(Bil<strong>der</strong> 101-173 in iso-Datenaufzeichnung).
<strong>Messung</strong>en von lokalen extrazellulären Spannungen <strong>mit</strong> EOS-Transistoren 100<br />
Ergebnisse <strong>der</strong> <strong>Messung</strong>en<br />
Abb. 76: Abgestorbene Herzmuskelzelle (Zelle 7) über dem Gate des EOS-<br />
Transistors 5b. Im Verlauf <strong>der</strong> <strong>Messung</strong>en wurde die Zelle <strong>mit</strong> <strong>der</strong><br />
Pipette zu stark angedrückt. Bild oben: Die Oberfläche <strong>der</strong> abgestorbenen<br />
Zelle und Pipettenöffnung ist sichtbar. Bild unten: Das Gate des<br />
EOS-Transistors liegt in <strong>der</strong> Schärfenebene.
Strommodulation Transistor [A]<br />
Stimulus [A]<br />
intracelluläre Spannung [mV]<br />
1n<br />
0<br />
-1n<br />
20<br />
10<br />
0<br />
-10<br />
<strong>Messung</strong>en von lokalen extrazellulären Spannungen <strong>mit</strong> EOS-Transistoren 101<br />
Ergebnisse <strong>der</strong> <strong>Messung</strong>en<br />
10 20 30 40 50 60 70<br />
time [ms]<br />
-20<br />
10 20 30 40 50 60 70<br />
2n<br />
0<br />
-2n<br />
-4n<br />
-6n<br />
-8n<br />
-10n<br />
time [ms]<br />
-12n<br />
10 20 30 40 50 60 70<br />
time [ms]<br />
Abb. 77: <strong>Messung</strong> an Zelle 16 <strong>mit</strong> Transistor 5c. Zelle ist abgestorben. Keine<br />
Mittelwertbildung (Bild 515 in iso-Datenaufzeichnung).
8. Zusammenfassung<br />
Zusammenfassung 102<br />
Ergebnisse <strong>der</strong> <strong>Messung</strong>en<br />
Diese Arbeit gibt zunächst eine Einführung in die Grundlagen <strong>der</strong> elektrophysiologischen<br />
Vorgänge an Zellmembranen und es wird das elektrische Membranmodell<br />
von Hudgkin und Huxley erläutert, das eine Simulation <strong>der</strong> <strong>elektrischen</strong> <strong>Aktivität</strong><br />
einer Zelle ermöglicht.<br />
Die Voraussetzung für die <strong>Messung</strong> <strong>der</strong> <strong>elektrischen</strong> <strong>Aktivität</strong> <strong>biologischer</strong> <strong>Zellen</strong><br />
<strong>mit</strong> Feld-Effekt-Transistoren sind lokale extrazelluläre Spannungen in einem Spalt<br />
zwischen <strong>der</strong> Zellmembran und einer Oberfläche. Die <strong>elektrischen</strong> Vorgänge in<br />
einem solchen Spalt werden anhand eines Modells von P.Fromherz erklärt. Es wird<br />
gezeigt, daß sich lokale extrazelluläre Spannungen nur ausbilden können, wenn die<br />
Ionenkanäle auf <strong>der</strong> Zellmembran inhomogen verteilt sind. Der zeitliche Verlauf <strong>der</strong><br />
lokalen extrazellulären Spannungen bei elektrischer Reizung einer Zelle wird durch<br />
eine numerische Simulation berechnet.<br />
Für die <strong>Messung</strong> <strong>der</strong> lokalen extrazellulären Spannungen werden Feld-Effekt-<br />
Transistoren ohne Gate-Metallisierung (EOS-Transistoren) verwendet, die auf<br />
einem Sensor-Chip integriert sind. Werden erregbare biologische <strong>Zellen</strong> auf den<br />
Kanalbereich <strong>der</strong> Transistoren aufgesetzt, führen lokale extrazelluläre Spannungen<br />
im Spalt zwischen <strong>der</strong> Zellmembran und <strong>der</strong> Siliziumoxidoberfläche zu einer Modulation<br />
des Transistorstroms. Die Modulation des Stroms liegt in <strong>der</strong> Größenordnung<br />
von 1nA. Zur <strong>Messung</strong> dieser Signale wird ein extrem rauscharmer Strom-Spannungs-Umsetzer<br />
<strong>mit</strong> einem hohen Umsetzungsfaktor benötigt.<br />
Im Rahmen dieser Arbeit wird ein diesen Anfor<strong>der</strong>ungen entsprechen<strong>der</strong> Strom-<br />
Spannungs-Umsetzer entwickelt und es werden das dynamische Verhalten und die<br />
Rauscheigenschaften des Umsetzers untersucht. Zur Wahl des Arbeitspunktes <strong>der</strong><br />
Transistoren und zur Auswertung <strong>der</strong> Meßergebnisse werden alle Parameter und<br />
Kennlinien <strong>der</strong> Transistoren bestimmt. Der Arbeitspunkt, das Kleinsignalersatzschaltbild<br />
und die Ursachen des Rauschens <strong>der</strong> Transistoren werden diskutiert.<br />
Die <strong>Messung</strong>en werden an Herzmuskelzellen von ausgewachsenen Ratten durchgeführt.<br />
Die <strong>Zellen</strong> müssen aus dem Herzen isoliert und auf die Transistoren aufgesetzt<br />
werden. Die Vorgehensweise bei <strong>der</strong> Präparation und die Handhabung <strong>der</strong><br />
<strong>Zellen</strong> wird in <strong>der</strong> Arbeit detailliert beschrieben.<br />
Für die <strong>Messung</strong>en werden die Herzmuskelzellen <strong>mit</strong> <strong>der</strong> Patch-Clamp-Technik<br />
kontaktiert, so daß die <strong>Zellen</strong> zum Ablauf eines Aktionspotentials periodisch stimuliert<br />
und <strong>der</strong> intrazelluläre Potentialverlauf registriert werden kann. Gleichzeitig<br />
werden die Spannungsän<strong>der</strong>ungen in dem Spalt zwischen <strong>der</strong> Zelle und <strong>der</strong> Siliziumoxidoberfläche<br />
<strong>mit</strong> den darunterliegenden EOS-Transistoren detektiert.<br />
Zwischen dem Potentialverlauf in <strong>der</strong> Zelle und dem gemessenen Signalverlauf<br />
<strong>mit</strong> einem EOS-Transistor kann ein Zusammenhang hergestellt werden. Ein eindeutiger<br />
Signalverlauf ist nach einer Mittelwertbildung über nur fünf Perioden erkennbar.<br />
Bei unterschiedlichen <strong>Messung</strong>en werden jedoch unterschiedliche<br />
Signalverläufe beobachtet. Diese Unterschiede können <strong>mit</strong> dem Modell über die<br />
Entstehung von lokalen extrazellulären Spannungen und <strong>der</strong> Verteilung <strong>der</strong> Ionen-<br />
Kanäle auf <strong>der</strong> Zellmembran erklärt werden.<br />
Eine deutlich stärkere Kopplung zwischen Zelle und Transistor kann bei allen<br />
<strong>Messung</strong>en beobachtet werden, sobald die <strong>Zellen</strong> abgestorben sind und sie durch<br />
die Patch-Pipette nur noch passiv umgeladen werden. In diesen Fällen kann ohne<br />
Mittelwertbildung ein deutlicher Signalverlauf festgestellt werden.<br />
Im Rahmen dieser Arbeit ist es da<strong>mit</strong> erstmals gelungen, eine Kopplung zwischen<br />
isolierten Herzmuskelzellen von ausgewachsenen Ratten und Feld-Effekt-Transi-
Zusammenfassung 103<br />
Ergebnisse <strong>der</strong> <strong>Messung</strong>en<br />
storen nachzuweisen. Mit dem Nachweis <strong>der</strong> Kopplung zwischen Herzmuskelzellen<br />
und Feld-Effekt-Transistoren konnte die Zielsetzung dieser Arbeit erreicht werden.<br />
Ausblick Zur Verbesserung zukünftiger <strong>Messung</strong>en kann versucht werden, entwe<strong>der</strong> das<br />
Signal zu vergrößern o<strong>der</strong> den Rauschanteil zu verkleinern. Eine Vergrößerung des<br />
Signals kann durch eine bessere Kopplung zwischen Zelle und Transistor erreicht<br />
werden. Dies ist durch den Einsatz von Haftver<strong>mit</strong>tlern denkbar. Zur Verkleinerung<br />
des Rauschanteils des Meßaufbaus müssen zunächst die dominierenden Rauschquellen<br />
identifiziert werden. Das Rauschen des Signals kann entwe<strong>der</strong> im IU-<br />
Umsetzer bzw. Verstärker, im Aufbau des Chips o<strong>der</strong> in den EOS-Transistoren<br />
selbst entstehen. Eine Verringerung des Rauschens des IU-Umsetzers kann durch<br />
den Einsatz eines zweiten Patch-Clamp-Verstärkers erreicht werden. Das Rauschen<br />
<strong>der</strong> EOS-Transistoren kann eventuell durch Wahl eines an<strong>der</strong>en Arbeitspunktes<br />
(Subthreshold-Bereich) verkleinert werden.<br />
Aufschlüsse über die Rauschquellen werden sich aus <strong>der</strong> Diplomarbeit von D.<br />
Kim ergeben, in <strong>der</strong> das Rauschen <strong>der</strong> EOS-Transistoren im Mittelpunkt steht.<br />
Zusätzlich sind die Ergebnisse <strong>der</strong> <strong>Messung</strong>en von T. Kind <strong>mit</strong> Bipolar-Transistoren<br />
abzuwarten.<br />
Das dargestellte Modell über die Entstehung von lokalen extrazellulären Spannungen<br />
könnte in einem Versuch <strong>mit</strong> einer idealen Spaltabdichtung bestätigt werden.<br />
Eine ideale Spaltabdichtung könnte <strong>mit</strong> einer zweiten Patch-Pipette <strong>mit</strong> einem<br />
größeren Durchmesser simuliert werden, die auf die Zellmembran aufgesetzt wird.<br />
Das Potential in <strong>der</strong> zweiten Patch-Pipette, das <strong>mit</strong> einem Patch-Clamp-Verstärker<br />
gemessen werden kann, entspricht dann <strong>der</strong> lokalen extrazellulären Spannung in<br />
einem Spalt.<br />
Um weitere begründete Aussagen über den Zusammenhang zwischen den Feld-<br />
Effekt-Transistor-Signalen und dem intrazellulären Potentialverlauf treffen zu können,<br />
sollte zunächst auf <strong>der</strong> hier beschriebenen Grundlage eine große Anzahl weiterer<br />
<strong>Messung</strong>en durchgeführt werden.
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Ergebnisse <strong>der</strong> <strong>Messung</strong>en
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Ergebnisse <strong>der</strong> <strong>Messung</strong>en