Anhang i. Simulationsmodell - FG Mikroelektronik, TU Berlin

Anhang 

i. Simulationsmodell 

Vm 

Anhang 107 

Simulationsmodell 

Die Abb. 79 zeigt das Flußdiagramm eines Simulationsmodells, das mit der Software 

Matlab (Version 5.0) erstellt wurde. Im oberen Teil der Abbildung ist das 

Modell zur Simulation der Membranspannung einer Zelle nach Hodgkin und Huxley 

[6] dargestellt. Der zeitliche Verlauf der Membranspannung VM() t wird in Abhängigkeit 

des Injektionsstroms Iinj() t gemäß Gl.(53) berechnet. Der Verlauf des Injektionsstroms 

Iinj() t zur Stimulation der Zelle kann mit dem Puls-Generator in Abb. 79 

vorgegeben werden. 

Vm gkm*(Vm-Vk0) 

iK 

Vm gNam*(Vm-VNa0) 

iNa 

gL*(u-VL0) 

iL 

Vm gkm*(Vm-Vk0) 

iK1 

Vm gNam*(Vm-VNa0) 

iNa1 

gL*(u-VL0) 

iL1 

u*(1+mK*b/(1-b)) 

u*(1+mNa*b/(1-b)) 

Verteilung Na-Kanäle 

u*(1+mL*b/(1-b)) 

Verteilung L-Kanäle 

Pulse 

Generator Iinj 

Verteilung K-Kanäle 

Vm 

u*mK 

Verteilung K-Kanäle1 

u*mNa 

Verteilung Na-Kanäle1 

u*mL 

Verteilung L-Kanäle1 

Scope iNa 

u/(Am*(1-b)) 

Fläche 

Scope Iinj 

Scope iK 

Scope iL 

Abb. 79: Flußdiagramm für die Simulation des Membranspannungsverlaufs und 

des extrazellulären Potentialverlaufs in einem Spalt zwischen einer 

Zelle und einer Oberfläche. 

Der spezifische Strom durch die Kalium- und Natrium-Ionenkanäle der Membran 

wird in Abhängigkeit vom Membranpotential VM() t in den Modulen iK und iNa 

bestimmt. Der Aufbau der Module iK und iNa ist in Abb. 80 und Abb. 81 dargestellt. 

Iinj/Am 

Sum 

cm*(dVm/dt) 

Sum1 

u*(1-b) 

Beta 

1 

u/cm 

s 

Membrancapazit‰t Integrator 

u/gJ 

Leitwert Spalt 

Vj 

Vm 

Vj_na2k05.mat 

Scope Vj 

To File1 

Scope Vm 

Vm.mat 

To File

1 

Vm 

Vm n 

n(Vm) 



Abb. 80: Modul iK. Berechnung des flächenspezifischen Stroms durch die 

Kalium-Ionenkanäle in Abhängigkeit der Membranspannung VM() t . 

K 

K 

gK = g0ist die maximale Leitfähigkeit der Kaliumkanäle und VK0 = V0 ist das Nernst-Potential der Kalium-Ionen. 

1 

Vm 

Vm 

m(Vm) 

Vm h 

h(Vm) 

m 

h 

gNa*u^3 

gNa*m^3 

Abb. 81: Modul iNa. Berechnung des flächenspezifischen Stroms durch die 

Natrium-Ionenkanäle in Abhängigkeit der Membranspannung VM() t . 

Na 

gNa = g0ist die maximale Leitfähigkeit der Natriumkanäle und 

Na 

VNa0 = V0 ist das Nernst-Potential der Natrium-Ionen. 

Die Abhängigkeit der spezifischen Leitfähigkeit von der Membranspannung wurde 

anhand der Ratengleichungen von Hudgkin und Huxley Gl.(15) und Gl.(16) berechnet. 

Die Faktoren n, m und h ergeben sich durch Integration der Gl.(18) bis Gl.(20), 

die in den Abb. 82 bis Abb. 84 grafisch dargestellt sind. Der lineare Anteil des 

Membranstroms wird in dem Modul iL berechnet. 

Die Verteilung der Natrium, Kalium und ohmschen Kanäle (L-Kanäle) zwischen 

Na 

K 

Kontaktbereich und freier Membran geht durch die Faktoren mNa = μJ , mK = μJ L 

und mL = μJ in das Modell ein. Das Verhältnis zwischen der Membranfläche im 

Kontaktbereich und freier Membranfläche wird durch den Faktor b = β angegeben. 

Am = AMist die gesamte Fläche der Membran und cm = 

cMist die flächenspezifische 

Membrankapazität. 

gK*(u^4) 

n^4 

(u-VK0) 

(Vm-Vk0) 

gNa*m^3 

* 

Product 

(u-VNa0) 

(Vm-VNa0) 

gkm 

(Vm-Vk0) 

gNam 

(Vm-VNa0) 

* 

Product 

* 

Product1 

1 

gkm*(Vm-Vk0) 

1 

gNam*(Vm-VNa0)

1 

Vm 

u-Vr 

V 

V 

(0.01*(10-u))/(exp((10-u)/10)-1) 

alpha_n 

0.125*exp(-u/80) 

beta_n 

1-u 

(1-n) 

alpha_*(1-n) 



Abb. 82: Modul n(Vm). Berechnung des Faktors n in Abhängigkeit der Membranspannung 

VM() t und den empirischen Werten von Hodgkin und Huxley. 

1 

Vm 

(0.1*(25-u))/(exp((25-u)/10)-1) 

Abb. 83: Modul m(Vm). Berechnung des Faktors m in Abhängigkeit der Membranspannung 


1 

Vm 

u-Vr 

V 

u-Vr 

V 

Abb. 84: Modul h(Vm). Berechnung des Faktors h in Abhängigkeit der Membranspannung 


* 

* 

Product 

Product1 

beta_n*n 

alpha_m*(1-m) 

beta_m*m 

n 

Sum1 

n 

m 

m 

1 

s 

Integrator1 

Product 

alpha_m 

V 

1 

s 

1 

Sum1 

Integrator1 

4*exp(-u/18) 

beta_m 

0.07*exp(-u/20) 

1-u 

(1-m) 

* 

* 

Product1 

alpha_h*(1-h) 

Product 

alpha_h 

V 

1 

1 

s 

h 

Sum1 

Integrator1 

1/(exp((30-u)/10)+1) 

beta_h 

1-u 

(1-h) 

* 

* 

Product1 

beta_h*h 

h 

h 

1 

n



Im unteren Teil der Abb. 79 wird der extrazelluläre Spannungsverlauf VJ() t im 

Spalt zwischen der Zellmembran und einer Oberfläche nach Gl.(54) berechnet. Der 

zeitliche Verlauf der Membranspannung VM() t wird aus der oberen Simulation übernommen. 

Die Module iK1 und iNa1 sind mit den Modulen iK und iNa identisch. 

An den Punkten mit der Bezeichnung Scope kann in der Software der zeitliche 

Verlauf des Signals ausgelesen werden. 

Tab. 9: Die Anfangswerte für die Simulation entsprechen dem Modell von 

Hudgkin und Huxley. Beim Einsetzen der Werte in das Simulationsmodell 

können die Einheiten weggelassen werden. Die Zeitwerte haben dann die 

Einheit [ms]. 

Am 3.1416 e-4 cm 2 

VK0 -62 mV 

VNa0 -39,4 mV 

Vr -50 mV 

gK 36 mS/cm 2 

gNa 120 mS/cm 2 

gL 0,3 mS/cm 2 

cm 1 μF/cm 2 

n0 0,3177 

m0 0,0529 

h0 0,5961

ii. Operationsverstärker 

ii.i. NF-Kenngrößen 

Differenzverstärkung 

Gleichtaktverstärkung 

Gleichtaktunterdrückung 

CMRR 

Eingangsruheströme 


Operationsverstärker 

Die Eigenschaften von Operationsverstärkern werden in den Datenblättern durch 

Kenngrößen beschrieben. Im folgenden Teil ii.i werden allgemein die Kenngrößen 

des Großsignalmodells und im Teil ii.ii die Kenngrößen für das Kleinsignalmodells 

eines Operationsverstärkers dargestellt. Für die durchgeführten Messungen wurde 

der Operationsverstärker vom Typ AD745 verwendet. Die wichtigsten Kenngrößen 

dieses Verstärkers werden in Abschnitt ii.iii vorgestellt. 

Am Ausgang des Operationsverstärkers stellt sich im unbeschalteten Zustand 

eine Spannung ein, die durch die Eingangsspannungsdifferenz zwischen nichtinvertierendem 

U + und invertierendem U - Eingang bestimmt wird. 

(172) 

Die Größe A d heißt Leerlauf-Differenzverstärkung (Open Loop Gain) und liegt 

normalerweise zwischen 10 3 und 10 6 . Damit läßt sich der Operationsverstärker als 

spannungsgesteuerte Spannungsquelle beschreiben. Der Eingangswiderstand wird 

als unendlich, der Ausgangswiderstand als Null angenommen. 

Bei einer Gleichtaktaussteuerung des Operationsverstärkers um ΔU gl , d.h. an beiden 

Eingängen liegt dieselbe Spannung an, müßte sich am Ausgang eine Spannung 

von Null Volt einstellen. Der reale Operationsverstärker zeigt aber eine 

Gleichtakteingangsspannungsabhängigkeit, die über die Gleichtaktverstärkung A gl 

ausgedrückt wird. 

(173) 

Das Verhältnis von Differenzverstärkung zur Gleichtaktverstärkung wird als 

Gleichtaktunterdrückung CMRR 1 bezeichnet. 

Die Ströme, die bei statischem Betrieb in die Eingänge eines realen Operationsverstärkers 

fließen, nennt man Eingangsruheströme. Bei bipolaren Operationsverstärkern 

entsprechen diese Ströme den Basiströmen der Eingangstransistoren. 

Operationsverstärker mit Feld-Effekt-Eingangstransistoren weisen aus diesem 

Grund typischerweise um drei Größenordnungen geringere Eingangsruheströme 

auf. Gleiche Ströme in beide Eingänge lassen sich durch schaltungstechnische 

Maßnahmen kompensieren. 

Offsetstrom Die Abweichung zwischen dem Eingangsstrom in den nichtinvertierenden und den 

invertierenden Eingang wird als Offsetstrom bezeichnet. Der Offsetstrom kann nicht 

kompensiert werden. 

Offsetspannung 

PSRR 

Ua = Ad U + – U- A gl 

( ) 

ΔU a 

= ----------- = 

ΔU gl 

Ad ---------------- 

CMRR 

Liegt an beiden Eingängen eine Spannung von Null Volt an, so ist bei einem realen 

Operationsverstärker die Ausgangsspannung von Null verschieden. Die Offsetspannung 

ist die Spannung, die an den Eingängen des Operationverstärkers 

angelegt werden muß, damit die Ausgangsspannung Null wird. Eine Änderung der 

Versorgungsspannung führt in der Regel auch zu einer Offsetspannungsänderung. 

Das Verhältnis der Offsetspannungsverschiebung zur Änderung der Versorgungsspannung 

wird als Betriebsspannungsdurchgriff PSRR 2 bezeichnet. 

1 Common Mode Rejection Ratio. Der Wert wird meist in dB angegeben. 

2 Power Supply Rejection Ratio. Der Wert wird meist in dB angegeben, wobei das Minuszeichen weggelassen 

wird.

ii.i.i. Großsignalbandbreite 



slew rate Kapazitive Effekte in der internen Schaltung des Operationsverstärkers begrenzen 

die maximale Anstiegsgeschwindigkeit oder Flankensteilheit (slew rate) S des 

Ausgangssignals. Sie wird in V/µs angegeben. Um eine unverzerrte Übertragung zu 

sichern, muß die Anstiegsgeschwindigkeit des Ausgangssignals kleiner sein als die 

maximale Flankensteilheit S. Für eine sinusförmige Ausgangsspannung der Amplitude 

û a 

folgt für die Änderungsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung 

(174) 

dua -------- = ωûa cos( 

ωt) 

. (175) 

dt 

Ein Sinussignal mit der Frequenz f kann nur verzerrungsfrei übertragen werden, 

wenn gilt: 

S 

f < ----------- . (176) 

2ûaπ Diese Grenzfrequenz wird als Großsignalbandbreite bezeichnet. Sie ist in der 

Regel kleiner als die Grenzfrequenz, die sich aus dem Verstärkungs-Bandbreiten- 

Produkt ergibt. 

ii.ii.Kleinsignalmodell und Frequenzverhalten 

Eingangsimpendanzen 

ua() t = ûa sin( 

ωt) 

Ein vereinfachtes Kleinsignalersatzschaltbild eines Operationsverstärkers ist in 

Abb. 85 dargestellt. Die Gleichtakt- und Differenzeingangsimpedanzen werden in 

den Datenblättern jeweils durch die Werte eines Widerstandes r gl bzw. r d und einer 

Kapazität c gl bzw. c d angegeben, die zueinander parallelgeschaltet sind und für 

reine Gleichtakt- bzw. Differenzaussteuerung gelten. Für die Elemente des Ersatzschaltbildes 

gelten folgende Beziehungen: 

rgl ′ = 2rgl cgl ′ 

= 

cgl ------ 

2 

(177) 

rd cgl rd ′ = ------------------ 

cd ′ = cd – ------ . (178) 

rd 4 

1 – --------- 

4r gl 

Der Frequenzgang der Differenz- und Gleichtaktverstärkung wird im Ersatzschaltbild 

nicht durch ein Netzwerk nachgebildet, sondern in frequenzabhängigen Übertragungsfaktoren 

ad bzw. agl berücksichtigt. Die Summe der Spannungen am 

Ausgang ergibt die Leerlaufspannung. Die Lastabhängigkeit der Ausgangsspannung 

wird durch ra berücksichtigt.

Tiefpaßcharakteristik 

u + 

u - 

u d 

Abb. 85: Kleinsignalersatzschaltbild eines Operationsverstärkers 



Die Differenzverstärkung der Operationsverstärker weist eine Tiefpaßcharakteristik 

höherer Ordnung auf. Sie kann durch die Hintereinanderschaltung von spannungsgesteuerten 

Spannungsquellen mit Übertragungsfaktor „1“ und einer der 

Grenzfrequenz fc entsprechenden RC-Kombination nachgebildet werden. Für den 

Übertragungsfaktor der Differenzverstärkung ad mit einem Tiefpaßverhalten 1. Ordnung 

gilt: 

a d 

A d 

mit (179) 

1 j f 

1 

= ----------------- 

fc0 = -------------- 

+ ----- 

2πRC 

f c0 

Für f → 0 gilt ad → Ad und agl → 

Agl . 

r' d 

c' d 

Abb. 86: Frequenzgang von Betrag und Phasenverschiebung der Leerlaufdifferenzverstärkung 

sowie CMRR [5] 

Bandbreite Die Frequenz f co stellt die 3dB-Knick-Frequenz des Amplitudengangs der Differenzverstärkung 

dar und entspricht beim nichtrückgekoppelten Operationsverstärker 

der Bandbreite. Für Frequenzen f>f c0 fällt |a d | mit 20dB / Dekade ab. 

Transitfrequenz Die Transitfrequenz f T kennzeichnet die Frequenz, bei der die Differenzverstärkung 

auf 0dB abgefallen ist. 

2r gl 

2r gl 

c/2 

gl 

c/2 

gl 

au au 

d d gl gl 

r a

ii.iii.Operationsverstärker Typ AD745 



Der Operationsverstärker AD745 besitzt einen FET-Eingang, so daß nur sehr 

kleine Eingangsruheströme fließen. Gleichzeitig zeichnet er sich durch sehr geringes 

Rauschen und ein hohes Gain-Bandwidth-Produkt aus. Die Tab. 10 enthält die 

wichtigsten Kenngrößen in einer Übersicht, weitere Daten sind im Datenblatt enthalten 

(Anhang CD-ROM). 

Tab. 10:Kenngrößen AD745 

Open Loop Gain 

(Differenzverstärkung) 

CMRR 

(Gleichtaktunterdrückung) 

Input Bias Current 

(Eingangsruheströme) 

Input Offset Current 

(Offsetstrom) 

1000-4000 

80-95 

150-400 

40-150 

PSRR 90-96 

Slew Rate (Gain = -4) 12,5 

Gain Bandwidth Product 20 

Input Current Noise (1kHz) 6,9 

Input Voltage Noise (10kHz) 2,9 

V/mV 

dB 

pA 

pA 

dB 

V/μs 

MHz 

fA/ Hz 

nV/ Hz

iii.Schaltungsaufbau 

iii.i.Multiplexer 


Schaltungsaufbau 

Die Abb. 87 zeigt die Platine des Multiplexers und der IU-Umsetzer von oben, die 

im Rahmen dieser Arbeit hergestellt wurde. Die linke Reihe der blauen DIP-Schalter 

dient zur Auswahl der Drain-Zuleitungen für die linken Transistoren, die rechte 

Reihe zur Auswahl der Drain-Zuleitungen für die rechten Transistoren. Mit den 

unteren beiden DIP-Schaltern der mittleren Reihe werden die Drain-Zuleitungen mit 

einem der vier Ausgänge (Drain extern 1, Drain extern 2, IU-Wandler 1, IU-Wandler 

2) verbunden. 

Abb. 87: Aufsicht auf die Platine des Multiplexers und der IU-Umsetzer.

iii.ii.IU-Umsetzer 


Schaltungsaufbau 

Die oberen beiden DIP-Schalter der mittleren Reihe dienen zur Auswahl der 

Source-Zuleitungen der Transistoren. Die DIP-Schalter haben drei Stellungen 

(oben: ein, mitte: hochohmig, unten: Masse). Mit den roten DIP-Schaltern können 

die zweiten Drain-Zuleitungen der Transistoren „d“ zugeschaltet werden. 

Auf dem unteren Drittel der Platine befinden sich zwei IU-Umsetzer, die fast symmetrisch 

aufgebaut sind (rechts und links unten). Sie unterscheiden sich nur durch 

unterschiedliche Operationsverstärkerbausteine in der ersten Stufe. 

Abb. 88: Platine (unten). Im endgültigen Platinenlayout sind alle freien Flächen 

als Masseflächen ausgeführt. (Beschriftung fehlt noch)

Abb. 89: Platine (oben). 


Schaltungsaufbau

iv.Kennlinien der EOS-Transistoren 


Kennlinien der EOS-Transistoren 

Im folgenden sind die Kennlinien der 16 unterschiedlichen EOS-Transistoren auf 

dem Cultus-Chip dargestellt. Die Messungen wurden jeweils am Transistor „a“ in 

der entsprechenden Reihe (1 bis 16) durchgeführt. 

Aus den Ausgangskennlinien mit UDS = UGS (Teil iv.i) werden die Übertragungsleitwertfaktoren 

β und die Einsatzspannungen UTH bestimmt. Die genaue Vorgehensweise 

ist in Kap. 5.1 beschrieben. Aus den Steuerkennlinien (Transferstromkennlinie) 

mit UDS = – 25V , (Teil iv.ii) wird die Steilheit der Transistoren gm im 

gewählten Arbeitspunkt abgelesen. Die Tab. 11 enthält zur Übersicht alle ermittelten 

Parameter. 

Tab. 11:Parameter der EOS-Transistoren. Die Steilheit gm bezieht sich auf den 

Arbeitspunkt UDS = UGS = – 25V , . 

Transistor W/L β [10 -6 A/V 2 ] K p [10 -6 A/V 2 ] U TH [V] g m [µS] 

1 4 239 59,75 -0,29 340,7 

2 6 394 65,67 -0,32 486,5 

3 3 183 61 -0,32 255,8 

4 2 110 55 -0,33 161,3 

5 2 72 36 -0,32 121,1 

6 1,33 60 45,11 -0,35 101,3 

7 2,67 143 53,56 -0,31 222,7 

8 1,11 48 43,24 -0,49 78,2 

9 1 50 50 -0,32 89,9 

10 1 47 47 -0,32 79,3 

11 1 51 51 -0,33 85,2 

12 1,11 47 42,34 -0,40 75,8 

13 1,11 27 27 -0,47 49,2 

14 1 56 56 -0,35 92,5 

15 0,2 7 35 -0,33 14,3 

16 5 391,7 

iv.i.Ausgangskennlinien mit U GS =U DS 

In den Abb. 90 bis Abb. 119 ist für jeden Transistortyp des Cultus-Chips die Ausgangskennlinie 

IDS = fU ( DS) 

und IDS = fU ( DS) 

mit UDS = UGS dargestellt. 

Die Kennlinie IDS = fU ( DS) 

ist im Idealfall eine Gerade mit der Steigung β/2 , 

sofern sich der Transistor immer im Sättigungsbereich befindet. Dies ist der Fall, 

wenn UDS = UGS gilt. Aus dem Schnittpunkt der Geraden mit dem Nullpunkt kann 

die Einsatzspannung UTH und aus der Steigung der Geraden kann der Übertragungsleitwertfaktor 

β 

bestimmt werden (Kap. 5.1).

-I ds [A] 

800µ 

700µ 

600µ 

500µ 

400µ 

300µ 

200µ 

100µ 

0 

Abb. 90: Transitor 1: Ausgangskennlinie mit = . 

sqrt(-I DS ) [sqrt(A)] 

30m 

25m 

20m 

15m 

10m 

5m 

0 

– 6 

Abb. 91: Transistor 1: = – 029V , , β 239×10 

A/V . 

2 

= 



0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 

-U DS [V] (U DS =U GS ) 

U DS 

U GS 

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 

U TH 

-U DS [V] (U DS =U GS )

-I DS [A] 

1m 

800µ 

600µ 

400µ 

200µ 

0 

Abb. 92: Transistor 2: Ausgangskennlinie mit = . 


35m 

30m 

25m 

20m 

15m 

10m 

5m 

0 

– 6 


A/V . 

2 

= 



0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 


U DS 

U GS 

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 

U TH 


-I DS [A] 

500µ 

400µ 

300µ 

200µ 

100µ 

0 



25m 

20m 

15m 

10m 

5m 

0 

– 6 


A/V . 

2 

= 



0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 


U DS 

U GS 

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 

U TH 


-I DS [A] 

350µ 

300µ 

250µ 

200µ 

150µ 

100µ 

50µ 

0 



20m 

15m 

10m 

5m 

0 

– 6 


A/V . 

2 

= 



0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 


U DS 

U GS 

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 

U TH 


-I DS [A] 

250µ 

200µ 

150µ 

100µ 

50µ 

0 



16m 

14m 

12m 

10m 

8m 

6m 

4m 

2m 

0 

– 6 


A/V . 

2 

= 



0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 


U DS 

U GS 

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 

U TH 


-I DS [A] 

250µ 

200µ 

150µ 

100µ 

50µ 

0 

Abb. 100:Transistor 6: Ausgangskennlinie mit = . 


16m 

14m 

12m 

10m 

8m 

6m 

4m 

2m 

0 

– 6 

Abb. 101:Transistor 6: = – 035V , , β 60×10 

A/V . 

2 

= 



0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 


U DS 

U GS 

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 

U TH 


-I DS [A] 

450µ 

400µ 

350µ 

300µ 

250µ 

200µ 

150µ 

100µ 

50µ 

0 



20m 

15m 

10m 

5m 

0 

– 6 


A/V . 

2 

= 



0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 


U DS 

U GS 

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 

U TH 

-U DS [V] (U DS =U GS ]

I D [A] 

140µ 

120µ 

100µ 

80µ 

60µ 

40µ 

20µ 

0 



14m 

12m 

10m 

8m 

6m 

4m 

2m 

0 

– 6 


A/V . 

2 

= 



0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 


U DS 

U GS 

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 

U TH 


-I DS [A] 

180µ 

160µ 

140µ 

120µ 

100µ 

80µ 

60µ 

40µ 

20µ 

0 



14m 

12m 

10m 

8m 

6m 

4m 

2m 

0 

– 6 


A/V . 

2 

= 



0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 


U DS 

U GS 

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 

U TH 

-U DS [V] (U DS =UGS)

-I DS [A] 

140µ 

120µ 

100µ 

80µ 

60µ 

40µ 

20µ 

0 



14m 

12m 

10m 

8m 

6m 

4m 

2m 

0 

– 6 


A/V . 

2 

= 



0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 


U DS 

U GS 

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 

U TH 


-I DS [A] 

160µ 

140µ 

120µ 

100µ 

80µ 

60µ 

40µ 

20µ 

0 


sqrt(-I DS ) [ sqrt(A)] 

14m 

12m 

10m 

8m 

6m 

4m 

2m 

0 

– 6 


A/V . 

2 

= 



0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 


U DS 

U GS 

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 

U TH 


-I DS [A] 

160µ 

140µ 

120µ 

100µ 

80µ 

60µ 

40µ 

20µ 

0 



14m 

12m 

10m 

8m 

6m 

4m 

2m 

0 

– 6 


A/V . 

2 

= 



0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 


U DS 

U GS 

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 

U TH 


-I DS [A] 

100µ 

90µ 

80µ 

70µ 

60µ 

50µ 

40µ 

30µ 

20µ 

10µ 

0 



10m 

8m 

6m 

4m 

2m 

0 

– 6 


A/V . 

2 

= 



0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 


U DS 

U GS 

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 

U TH 


-I DS [A] 

180µ 

160µ 

140µ 

120µ 

100µ 

80µ 

60µ 

40µ 

20µ 

0 



14m 

12m 

10m 

8m 

6m 

4m 

2m 

0 

– 6 


A/V . 

2 

= 



0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 


U DS 

U GS 

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 

U TH 


-I DS [A] 

30µ 

25µ 

20µ 

15µ 

10µ 

5µ 

0 



5m 

4m 

3m 

2m 

1m 

0 

– 6 


A/V . 

2 

= 



0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 


U DS 

U GS 

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 

U TH 


iv.ii.Stromsteuerkennlinien 

-I DS [A] 

-I DS [A] 

700µ 

600µ 

500µ 

400µ 

300µ 

200µ 

100µ 

Abb. 120:Transistor 1: = – 25V , , gm = 340, 7μS 

800µ 

600µ 

400µ 

200µ 

Abb. 121:Transistor 2: = – 25V , , gm = 

486, 5μS 



0 

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 

1m 

U DS 

-U GS [V] (U DS =-2,5V) 

0 

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 

U DS 

-U GS [V] (U DS =-2,5V)

-I DS [A] 

-I DS [A] 

500µ 

400µ 

300µ 

200µ 

100µ 


350µ 

300µ 

250µ 

200µ 

150µ 

100µ 

50µ 


161, 3μS 



0 

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 

U DS 

-U GS [V] (U DS =-2,5V) 

0 

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 

U DS 

-U GS [V] (U DS =-2,5V)

-I DS [A] 

-I DS [A] 

250µ 

200µ 

150µ 

100µ 

50µ 


200µ 

180µ 

160µ 

140µ 

120µ 

100µ 

80µ 

60µ 

40µ 

20µ 


101, 3μS 



0 

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 

U DS 

-U GS [V] (U DS =-2,5V) 

0 

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 

U DS 

-U GS [V] (U DS =-2,5V)

-I DS [A] 

-I DS [A] 

450µ 

400µ 

350µ 

300µ 

250µ 

200µ 

150µ 

100µ 

50µ 


140µ 

120µ 

100µ 

80µ 

60µ 

40µ 

20µ 


78, 2μS 



0 

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 

U DS 

-U GS [V] (U DS =-2,5V) 

0 

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 

U DS 

-U GS [V] (U DS =-2,5V)

-I DS [A] 

-I DS [A] 

180µ 

160µ 

140µ 

120µ 

100µ 

80µ 

60µ 

40µ 

20µ 


160µ 

140µ 

120µ 

100µ 

80µ 

60µ 

40µ 

20µ 


79, 3μS 



0 

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 

U DS 

-U GS [V] (U DS =-2,5V) 

0 

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 

U DS 

-U GS [V] (U DS =-2,5V)

-I DS [A] 

-I DS [A] 

160µ 

140µ 

120µ 

100µ 

80µ 

60µ 

40µ 

20µ 


160µ 

140µ 

120µ 

100µ 

80µ 

60µ 

40µ 

20µ 


75, 8μS 



0 

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 

U DS 

-U GS [V] (U DS =-2,5V) 

0 

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 

U DS 

-U GS [V] (U DS =-2,5V)

-I DS [A] 

-I DS [A] 

100µ 

90µ 

80µ 

70µ 

60µ 

50µ 

40µ 

30µ 

20µ 

10µ 


180µ 

160µ 

140µ 

120µ 

100µ 

80µ 

60µ 

40µ 

20µ 


92, 5μS 



0 

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 

U DS 

-U GS [V] (U DS =-2,5V) 

0 

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 

U DS 

-U GS [V] (U DS =-2,5V)

-I DS [A] 

-I DS [A] 

30µ 

25µ 

20µ 

15µ 

10µ 

5µ 


800µ 

600µ 

400µ 

200µ 


391, 7μS 



0 

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 

U DS 

-U GS [V] (U DS =-2,5V) 

0 

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 

U DS 

-U GS [V] (U DS =-2,5V)

v. Präparation von Herzmuskelzellen 

Ansetzen der 

Lösung 


Präparation von Herzmuskelzellen 

Zur Präparation von Herzmuskelzellen aus erwachsenen Ratten (adult) werden 

folgende Lösungen 1 benötigt: Ca ++ -freie-Lösung (Tab. 12), Ca ++ -10mM-Lösung 

(Tab. 13), Extrazelluläre Lösung (Tab. 14). Zum Aufbewahren von Herzmuskelzellen 

wird die Glutamat KB Lösung (Tab. 16) verwendet, zum Patchen der Zellen muß 

zusätzlich die intrazelluläre Lösung (Tab. 15) angesetzt werden. 

Tab. 12:Ca ++ -freie-Lösung (pH 7,1 mit NaOH). Die Glucose wird erst kurz vor der 

Präparation hinzugegeben (MGW: Masse pro Mol). 

MGW Konzentration 

[mM] 

Damit die Ca ++ -freie-Lösung (Tab. 12) längere Zeit im Kühlschrank aufbewahrt 

werden kann, wird die Glucose zunächst weggelassen. Erst kurz vor Verwendung 

wird der entsprechende Anteil an Glucose gelöst. (In 150ml Ca ++ -freie-Lösung müssen 

0,300g Glucose gelöst werden.) 

Zur Herstellung der Ca ++ -freien-Lösung werden die Substanzen abgewogen und 

in destilliertem Wasser gelöst. Es wird eine um ca. 10% geringere Menge destilliertes 

Wasser als die angestrebte Lösungsmenge verwendet. Zur Einstellung des pH- 

Wertes wird unter ständigem Rühren tropfenweise gelöstes Natriumhydroxid (1M 

NaOH) hinzugegeben, bis der gewünschte pH-Wert erreicht ist. Die Lösung wird 

anschließend mit destilliertem Wasser bis zur angestrebten Menge aufgefüllt. Diese 

Vorgehensweise ist möglich, da die Lösung durch Hepes gepuffert wird. Die weiteren 

Lösungen werden analog angesetzt. 

Tab. 13:Ca ++ 10mM Lösung (CaCl 2 Lösung) 

Lösung 

1000 ml 

Lösung 

2000 ml 

NaCl 58,4 g 140,0 8,182 g 16,364 g 

KCl 74,6 g 5,8 0,432 g 0,864 g 

KH 2PO 4 136,0 g 0,5 0,068 g 0,136 g 

Na 2HPO 4 

(Na 2 HPO 4 2H 2 O) 

142,5 g 

177,9 g 

0,4 

0,4 

0,057 g 

0,071 g 

0,114 g 

0,142 g 

MgSo 4 120,0 g 0,9 0,108 g 0,216 g 

Glucose 180,2 g 11,1 2,000 g 4,000 g 

Hepes 238,3 g 10,0 2,383 g 4,766 g 


[mM] 

Lösung 

100 ml 

Lösung 

50 ml 

CaCl 2 2H 2 O 147,0 g 10 0,147 g 0,073 g 

1 Eine 1-molare Lösung (1 M Lösung) enthält immer 1 mol der betreffenden Substanz in 1 Liter Lösung.

Tab. 14:Extrazelluläre Lösung (pH 7,3 mit NaOH) 

Tab. 15:Intrazelluläre Lösung (pH 7,3 mit KOH) 



Tab. 16:Glutamat KB (pH 7,3 mit KOH). Das Glutamat KB kann in kleinen 

Portionen eingefroren und längere Zeit aufbewahrt werden. 

v.i. Vorbereitung der Präparation 

Zur Präparation der Herzmuskelzellen werden neben den oben beschriebenen 

Lösungen folgende Materialien benötigt: 

5 Bechergläser 30ml 

1 Becherglas 300ml 

1 Becherglas 500ml 

1 Petrischale 

2 Spritzen 10ml 

2 Spritzen 5ml 

1 Glaspipette 

Einhängeglas 


[mM] 

Lösung 

1000 ml 

Lösung 

500 ml 

NaCl 58,4 g 150,0 8,766 g 4,383 g 

KCl 74,6 g 5,4 0,403 g 0,201 g 

Hepes 238,3 g 5,0 1,191 g 0,596 g 

CaCl 2 147,0 g 2,5 0,367 g 0,184 g 

MgCl 2 203,3 g 0,5 0,102 g 0,051 g 


[mM] 

Lösung 

1000 ml 

Lösung 

100 ml 

KCl 74,6 g 150 11,184 g 1,118 g 

Hepes 238,3 g 5 1,191 g 0,119 g 

EGTA 380,4 g 10 3,804 g 0,3804 


[mM] 

Lösung 

500 ml 

Lösung 

1000 ml 

Glutaminsäure 147,2 g 50,0 3,680 g 7,216 g 

HEPES 238,5 g 20,0 2,385 g 4,770 g 

Taurin 125,0 g 20,0 1,250 g 2,500 g 

Glucose 180,0 g 10,0 0,900 g 1,800 g 

MgSO 4 120,0 g 3,0 0,180 g 0,360 g 

EGTA 380,0 g 0,5 0,095 g 0,190 g 

KCl 74,6 g 30,0 1,118 g 2,236 g 

KH 2 PO 4 136,1 g 30,0 2,042 g 4,084 g 

KOH Plätzchen 10 Stück 20 Stück

einstellbare Pipette 100μl 

Kanüle mit Drei-Wege-Hahn 

Faden 

Hirschmannklemme 

Eis 

Präparationsbesteck. 



Thermostat auf 37°C vorheizen und eingefrohrene Glutamat KB Lösung im Wasserbad 

auftauen. Zur Ca ++ -freien-Lösung Glucose hinzugeben. In 150ml Ca ++ freier 

Lösung müssen 0,300g Glucose gelöst werden. Die Ca ++ -freie-Lösung sollte zum 

Kühlen auf Eis aufbewahrt werden. 5mg Enzym (Kollagenase A, Bochinger Mannheim 

GmbH) abwiegen, in 15ml Ca ++ freier Lösung (mit Glucose) auflösen und 15μl 

Ca ++ 10mM hinzugeben. 

Die Apparatur sollte vor jeder Präparation sehr gut mit destilliertem Wasser 

gespült werden. In Intervallen von 3-4 Präparationen ist es sinnvoll, die Apparatur 

mit Wasserstoffperoxid (6%) und Ethanol (100%) zu reinigen. Zum Füllen der Apparatur 

eine 10ml Spritze mit Ca ++ -freier-Lösung füllen und an den Drei-Wege-Hahn 2 

(Abb. 136) ansetzen. Zunächst die Leitung zum Enzymgefäß, dann die Leitung zum 

Gefäß für die Ca ++ -freie-Lösung füllen. Es sollte darauf geachtet werden, daß die 

Leitungen blasenfrei sind. Gefäß für Ca ++ -freie-Lösung füllen, Enzymgefäß füllen 

und restliche Enzym-Lösung in das Einhängeglas geben. 5ml Spritze mit Drei- 

Wege-Hahn und Kanüle mit Ca ++ -freier-Lösung blasenfrei füllen. Fäden, Hirschmannklemme 

und Petrischale bereitlegen. In die Petrischale wird kurz vor Beginn 

der Präparation etwas Ca ++ -freie-Lösung gegossen. 

Präparationsplatz mit Papiertüchern auslegen und 30ml Becherglas mit Ca ++ - 

freier-Lösung für den Transport des Herzens füllen. 

Einhängeglas 

Enzym Ca ++ freie Lösung 

4 5 

Doppelwandgefäß 

Thermostat 

Kanüle 

Thermostat 

Abb. 136:Apparatur zur Präparation von Herzmuskelzellen 

3 

2 

1

v.ii.Durchführung 



Nach der Betäubung der Ratte muß möglichst schnell das Herz mit einem langen 

Aortaansatz herauspräpariert werden. Es ist besonders darauf zu achten, daß das 

Herz nicht beschädigt wird. Das Herz wird in Ca ++ -freier-Lösung in die Petrischale 

gelegt. Vorsichtig werden die Lungenreste und anderes Gewebe entfernt und die 

Aorta freigelegt. Die Verzweigungen an der Aorta werden ggf. abgeschnitten, um 

die Kanüle einzuführen. Dabei darf die Kanüle nicht zu weit in das Herz eingeführt 

werden. Die Aorta wird zunächst mit der Hirschmannklemme an der Kanüle fixiert 

und anschließend mit einem dünnen Faden festgebunden. Damit die Kanüle nicht 

aus der Aorta herausrutschen kann, ist auf der Spitze der Kanüle ein Stück Gummischlauch 

aufgeschoben und mit Sekundenkleber fixiert. Durch leichten Druck auf 

die Spritze werden die Herzkranzgefäße und die Herzkammern freigespült. Erst 

nach erfolgreichem Freispülen wird das Herz mit dem Drei-Wege-Hahn an der 

Apparatur befestigt. Bevor der Drei-Wege-Hahn 1 geöffnet wird, muß mit einer 

Spritze die Luft zwischen Drei-Wege-Hahn 1 und 2 herausgedrückt werden. Das 

Herz wird 5 Minuten lang mit Ca ++ -freier-Lösung ausgewaschen. Dabei sollte das 

Herz massiert werden, um die Blutreste möglichst vollständig zu entfernen. Die 

Spülung erfolgt über einem Becherglas. 

Nach 5 Minuten wird auf Enzymspülung umgeschaltet. Das Einhängeglas wird so 

unter das Herz geschwenkt, daß das Herz in der Enzym-Lösung hängt. Mit einer 

Glaspipette wird laufend Enzym-Lösung vom Einhängegefäß in das obere Gefäß 

zurückgefüllt. Nach Ablauf der ersten 4 Minuten werden 15μl Ca ++ -10mM dazugegeben, 

nach allen weiteren 4 Minuten werden jeweils 30μl Ca ++ -10mM hinzugegeben. 

Insgesamt wird das Herz 24 Minuten mit Enzym-Lösung gespült. Vor dem 

Freispülen des Herzens vom Enzym wird die restliche Ca ++ -freie-Lösung aus der 

Apparatur von unten herausgesaugt. Mit einer Spritze werden anschließend von 

unten 5ml Glutamat KB Lösung eingefüllt. Zum vollständigen Freispülen muß ggf. 

Druck auf Hahn 5 angelegt werden, damit in ca. 5 min die gesamte Lösung durchgelaufen 

ist. 

Das Herz wird im oberen Drittel von der Kanüle abgeschnitten und über kreuz 

zweimal von der Schnittkante her eingeschnitten. Zwei Bechergläser werden mit 

etwas Glutamat KB Lösung gefüllt und das Herz wird im ersten Becherglas ca. 30 

Sekunden, im zweiten Becherglas ca. 60 Sekunden geschwenkt. Jeweils ca. 2ml 

der Zellemulsion werden auf eine 10ml Ampulle mit Glutamat KB Lösung verdünnt. 

Abschließend muß die Apparatur mit destilliertem Wasser gründlich gespült werden.

vi.Patch-Anleitung 


Patch-Anleitung 

(1) Chip in Sockel einsetzen. Erdung, Flow-Zu- und Abfluß justieren. Schale mit 

extrazellulärer Lösung füllen. 

(2) Chip mit Objektiv 1 scharfstellen. 

(3) Mit Pipette ein bis zwei Tropfen Zellemulsion auf den Chip tropfen und Zellen 

absetzen lassen. 

(4) Schmutz und Kraftbrühe mit mind. 10ml extrazellulärer Lösung wegspülen. 

Die Kraftbrühe verhindert einen guten Seal. 

(5) Zelle aussuchen: Am besten eine Zelle wählen, die direkt auf einem Transistor 

liegt. Sonst möglichst eine Zelle aussuchen, die sich beim Spülen noch 

lange verschoben hat. Langsames Zucken der Zelle ist unproblematisch. Die 

Zelloberfläche sollte keine sehr stark ausgeprägte „Maiskolben-Struktur“ 

haben. 

(6) Zelle mit Objektiv 2 und anschließend mit Objektiv 3 scharfstellen. 

(7) Pipette mit intrazellulärer Lösung füllen. Erst von unten über Kapillarwirkung, 

dann mit Kanüle von oben, Luftblasen herausklopfen. 

(8) Flow-Zu- und Abfluß entfernen. 

(9) Pipette einsetzen, mit Objektiv 1 scharfstellen und senkrecht ausrichten. 

(10) Überdruck auf Pipette geben (ca. 15cm Wassersäule) 

(11) Patch-Clamp-Verstärker auf VC-Search stellen. Testimpuls (10ms, 10mV) 

einstellen. 

(12) Pipette in Elektrolyten eintauchen. 

(13) Pipettenwiderstand bestimmen. Offset abgleichen. Gute Pipetten für Herzmuskelzellen 

liegen zwischen 1,7 und 2,2MΩ; auf VC umstellen. 

(14) Pipettenschaft mit Objektiv 1 und anschließend mit Objektiv 2 Pipettenöffnung 

scharfstellen. 

(15) Pipette absenken und Schärfe nachstellen. 

(16) Zu Objektiv 3 wechseln und Pipette weiter absenken. 

(17) Pipette so weit auf die Membran der Zelle absenken bis sie sich deutlich eindellt 

und der Widerstand um 3-4MΩ angestiegen ist. Letztes Heranfahren mit 

langsamster Geschwindigkeit. 

(18) Druck ablassen und ca. 10cm Wassersäule Unterdruck geben. 

(19) Sealen abwarten. Verstärkung nachstellen (am Verstärker und in der Software). 

(20) Ab 100MΩ Haltespannung langsam verkleinern. 

(21) Vor dem Durchreißen der Membran muß die Haltespannung bei -80mV liegen. 

(22) Durchreißen der Membran: Ohne Wassersäule 5ml Spritze durchziehen. 

Wenn die Membran durchreißt, übersteuert der Verstärker. Verstärkung auf 

Gain 1 zurückstellen und auf CC-fast umschalten. Protokoll zu CC wechseln. 

(23) Wenn der Seal gut ist, wird die Zelle bei -70 bis -80mV geklemmt, sonst 

leicht negativen Haltestrom einstellen. 

(24) Stimulationsimpuls geben. Stromimpuls schrittweise erhöhen, bis Aktionspotential 

ausgelöst wird. Dann Impulslänge verkleinern. 

(25) Transistor auswählen: Liegt die Zelle schon auf dem richtigen Transistor, 

muß unbedingt der Transistor vor dem Patchen eingeschaltet werden, sonst 

wird die Zelle durch Wackeln zerstört. Muß die Zelle umgesetzt werden, 

Transistor einschalten, sobald die Zelle angehoben ist. 

(26) Umsetzen der Zellen: Pipette mit langsamster Geschwindigkeit anheben, 

dabei leicht diagonal nach oben ziehen; dann Chip unter der Pipette verschieben. 

Zelle über Transistor absenken. 

(27) Bei den Messungen muß das Licht ausgeschaltet werden (Fotoeffekt).


Ergebnisse aus Messungen mit EOS-Transistoren an Herzmuskelzellen 

vii.Ergebnisse aus Messungen mit EOS- 

Transistoren an Herzmuskelzellen 

Bei den durchgeführten Messungen wurden die Herzmuskelzellen über eine 

Patch-Pipette periodisch stimuliert und der intrazelluläre Potentialverlauf registriert. 

Zeitgleich wurde die Modulation des Source-Drain-Stroms des Transistors unterhalb 

der Zelle in eine Spannung umgesetzt und verstärkt. Der intrazelluläre Potentialverlauf, 

die Modulation des Transistorstroms und das Stimulationssignal wurden 

mit der Patch-Clamp-Software (ISO2) aufgezeichnet. 

Die Daten der Messung an Zelle 7 über Transistor 5b sind in der Datei 

„051099id.3“ und die Daten der Messung an Zelle 16 über Transistor 5c sind in der 

Datei „071099id.3“ enthalten. 

In den folgenden Diagrammen der Abb. 137 bis Abb. 150 sind Mittlungen der 

Signale zu unterschiedlichen Zeitpunkten der Messungen und über eine unterschiedliche 

Anzahl von Perioden dargestellt.

Strommodulation Transistor [A] 

intracelluläre Spannung [mV] 

Stimulus [A] 

1n 

0 

60 

40 

20 

0 

-20 

-40 

-60 

-80 

200p 

0 

-200p 

-400p 



10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 

10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 

10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 

Abb. 137:Messung an Zelle 7 mit Transistor 5b. Mittelwert über 91 Messungen 

(Bilder 550-640 in iso-Datenaufzeichnung).



Stimulus [A] 

1n 

0 

40 

20 

0 

-20 

-40 

-60 

-80 

500p 

0 

-500p 



10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 

10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 

-1n 

10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 





Stimulus [A] 

1n 

0 

40 

20 

0 

-20 

-40 

-60 

-80 

500p 

0 

-500p 



10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 

10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 

10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 





Stimulus [A] 

1n 

0 

40 

20 

0 

-20 

-40 

-60 

-80 

2n 

1n 

500p 

0 

-500p 

-1n 



10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 

10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 

10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 




Stimulus [A] 


1n 

0 

-1n 

40 

20 

0 

-20 

-40 

-60 

-80 

500p 

0 

-500p 

-1n 



10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 

10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 

10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 

Abb. 141:Messung an Zelle 16 mit Transistor 5c. Mittelwert über 39 Messungen 



Stimulus [A] 


1n 

0 

-1n 

40 

20 

0 

-20 

-40 

-60 

-80 

1n 

500p 

0 

-500p 

-1n 



10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 

10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 

10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 




Stimulus [A] 


1n 

0 

-1n 

40 

20 

0 

-20 

-40 

-60 

-80 

500p 

0 

-500p 

-1n 



10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 

10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 

10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 




Stimulus [A] 


1n 

0 

-1n 

40 

20 

0 

-20 

-40 

-60 

-80 

500p 

0 

-500p 

-1n 



10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 

10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 

10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 




Stimulus [A] 


1n 

0 

-1n 

40 

20 

0 

-20 

-40 

-60 

-80 

500p 

0 

-500p 

-1n 



10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 

10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 

10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 




Stimulus [A] 


1n 

0 

-1n 

40 

20 

0 

-20 

-40 

-60 

-80 

500p 

0 

-500p 

-1n 



10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 

10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 

-2n 

10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 




Stimulus [A] 


1n 

0 

-1n 

40 

20 

0 

-20 

-40 

-60 

-80 

500p 

0 

-500p 

-1n 



10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 

10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 

-2n 

10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 




Stimulus [A] 


1n 

0 

-1n 

20 

0 

-20 

-40 

-60 



10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 

-80 

10 20 30 40 50 60 70 

1n 

500p 

0 

-500p 

-1n 

time [ms] 

-2n 

10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 




Stimulus [A] 


1n 

0 

-1n 

20 

10 

0 

-10 



10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 

-20 

10 20 30 40 50 60 70 

2n 

0 

-2n 

-4n 

-6n 

-8n 

-10n 

time [ms] 

-12n 

10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 

Abb. 149:Messung an Zelle 16 mit Transistor 5c. Zelle ist abgestorben. Keine 

Mittelwertbildung (Bild 515 in iso-Datenaufzeichnung).


Stimulus [A] 


1n 

0 

-1n 

20 

10 

0 

-10 



10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 

-20 

10 20 30 40 50 60 70 

2n 

0 

-2n 

-4n 

-6n 

-8n 

-10n 

time [ms] 

-12n 

10 20 30 40 50 60 70 

time [ms] 

Abb. 150:Messung an Zelle 16 mit Transistor 5c. Zelle ist abgestorben. Mittelwert 

über 10 Messungen (Bilder 515-524 in iso-Datenaufzeichnung).

Literaturverzeichnis 

Literatur 162 

[1] Schmidt, Thews, Physiologie des Menschen, Springer-Lehrbuch, 24. Auflage 

[2] Gauer, Kramer, Jung, Allgemeine Neurophysiologie, Band 10, Urban & 

Schwarzenberg, München, (1980) 

[3] Orgelmeister, Skript Medizinelektronik, TU-Berlin 

[4] Instruction Manual Lock-In Amplifier Model 5208, Princeton Applied 

Research Corporation, (1988) 

[5] M. Reisch, Elektronische Bauelemente, Funktion, Grundschaltungen, Modellierung 

mit SPICE, Springer-Verlag, (1998) 

[6] A.L. Hodgkin and A.F. Huxley, A qualitative description of membrane current 

and its application to conduction and existation in nerve, J.Physiol. 117, 500- 

544, (1952) 

[7] P. Fromherz, A.Offenhäuser, T.Vetter, J.Weis, A neuron-silicon-junction: A 

retzius cell of the leech on an insulated-gate field-effect-transistor, Science 

252, 1290-1293, (1991) 

[8] R. Weis, Neuron-Transistor-Kopplung: Bestimmung der elektrischen Übertragungseigenschaften, 

Universität Ulm Biophysik, (1994) 

[9] A. Stett, Extrazelluläre kapazitive Stimulation und Detektion elektrischer 

Signale individueller Nervenzellen mit planaren Silizium-Mikrostrukturen, 

Dissertation, MPI für Biochemie, Martinsried/München, (1995) 

[10] P. Fromherz, A. Strett, Silicon-neuron junction: capazitive stimulation of an 

individual neuron on a silicon chip, Phys. Rev. Lett. 75, 1670, (1995) 

[11] R. Weis, B.Müller, P.Fromherz, Neuron adhesion on a silicon chip probed by 

an array of field-effect transistors, Phys. Rev. Lett. 76, 327, (1996) 

[12] R. Weis, P.Fromherz, Frequency dependent signal transfer in neuron transistors, 

Phys. Rev. E 55, 877, (1997) 

[13] A. Stett, B.Müller, P.Fromherz, Two-way silicon-neuron interface by electrical 

induction, Phys. Rev. E 55, 1779, (1997) 

[14] P. Fromherz, Self-gating of ion channels in cell adhension, Phys. Rev. Lett. 

78, 4131, (1997) 

[15] S. Vassanelli, P.Fromherz, Neurons from rat brain coupled to transistors, 

Appl. Phys. A 65, 85-88, (1997) 

[16] M. Jenkner, P.Fromherz, Bistability of membran conductance in cell adhesion 

observed in a neuron transistor, Phya. Rev. Lett. 79, 4705, (1997) 

[17] R. Schätzthauer, P.Fromherz, Neuron-silicon junction with voltage-gated 

ionic currents, Eur. J. Neurosci. 10, 1956, (1998) 

[18] S. Vassanelli, P.Fromherz, Transistor records of excitable neurons from rat 

brain, Appl. Phys. A 66, 459-463, (1998) 

[19] D. Braun, P.Fromherz, Fluorescence interference-contrast microscopy of cell 

adhesion on oxidized silicon, Appl. Phys. A 65, 341-348, (1997) 

[20] D. Braun, P. Fromherz, Fluorescence interferometry of neuronal cell 

adhesion on microstructured silicon, Phys. Rev. Lett. 81, 5241, (1998) 

[21] P. Fromherz, Extracellular recording with transistors and the distribution of 

ionic conductances in a cell membrane, Eur. Biophys. J. 28, 254-258, (1999) 

[22] W.G. Regehr, A long term in vitro silicon-based microelectrode-neuron 

connection, IEEE Trans Biomed Eng 35, 1023-1032, (1988)

Literatur 163 

[23] J. Pine, Recording action potentials from cultured neurons with extracellular 

microcircuit electrodes, J. Neurosci. Methodes 2, 19-31, (1980) 

[24] G.W. Gross, Transparent indium-tin oxide electrode patterns for extracellular, 

multisite recording in neuronal cultures, J. Neurosci. Methodes 15, 243- 

252, (1985) 

[25] W.G. Regehr, Sealing cultured invertebrate neurons to embedded dish 

electrodes facilitates long-term stimulation and recording, J. Neurosci. 

Methodes 30, 91-106, (1989) 

[26] R.J.A. Wilson, Simultabeous multisite recording and stimulation of signale 

isolated leech neurons using planar extracellular electrode arrays, J. 

Neurosci. Methods 53, 101-110, (1994) 

[27] C.D.Motchenbacher, J.A.Connelly, Low-noise electronic system design, 

John-Wiley & Sons, Inc., (1993) 

[28] B.Sakmann, E.Neher, Singel-Channel Recording, Plenum Press, (1983) 

[29] T.Kind, Dissertation, in Arbeit, TU-Berlin 

[30] D. Kim, Diplomarbeit, in Arbeit, TU-Berlin 

[31] H.G. Wagemann, W. Gerlach, Physik und Technologie der Halbleiter-Bauelemente, 

Skriptum, TU-Berlin, (1992) 

[32] A.S. Grove, Physics and technology of semiconductor devices, John Wiley 

and Sons, Inc., (1967)

Danksagung 

Danksagung 164 

Zunächst möchte ich Herrn Prof. Dr. -Ing. H.G. Wagemann dafür danken, daß ich 

in seinem Institut meine Diplomarbeit über ein sehr interessantes Thema an der 

Schnittstelle zwischen Mikroelektronik, Halbleiterphysik und Physiologie anfertigen 

konnte. Es hat mir die Möglichkeit gegeben, mich mit Problemstellungen der unterschiedlichen 

Fachrichtungen auseinanderzusetzen und mich an der Grundlagenforschung 

in einem sehr zukunftsträchtigen Bereich zu beteiligen. Für die intensive 

Betreuung meiner Arbeit danke ich Herrn B. Müller. Er war für mich stets der 

richtige Ansprechpartner, um über Fortschritte und Rückschläge zu diskutieren. 

Herrn B. Müller verdanke ich die technischen Voraussetzungen für diese Arbeit. 

Besonderer Dank gilt meinem Betreuer R. Arnold. Seiner großen Geduld und 

Bereitschaft auf meine Fragen und Probleme einzugehen und seiner Unterstützung 

bei den Messungen verdanke ich den Erfolg meiner Arbeit. In der Zusammenarbeit 

mit R. Arnold sind in einem besonders offenen und ungezwungenen Arbeitsklima 

viele neuen Ideen entstanden, die den Durchbruch bei den Messungen ermöglicht 

haben. Ich erinnere mich sehr gerne an die angeregten Diskussionen und an die 

langen Nächte bei den Messungen im Labor. 

T. Kind verdanke ich den Aufbau der Infrastruktur, den Entwurf der verwendeten 

Transistoren und die intensive Einführung in die Präparation und das Patchen von 

Herzmuskelzellen. Ich möchte mich auch bei D. Kim für die Hinweise und Tips zum 

Thema Rauschen und für die Durchsicht dieses Teils in meiner Arbeit bedanken. 

Die Durchführung dieser Diplomarbeit war nur in einer engen Zusammenarbeit mit 

der Medizinischen Fakultät der Humboldt Universität zu Berlin (Charité), Institut für 

Physiologie, Abteilung Neurophysiologie unter der Leitung von Prof. Dr. med. U. 

Heinemann möglich. Für die gute Zusammenarbeit möchte ich mich bedanken. 

Mein besonderer Dank gilt dabei besonders Frau C. Gebhardt und Herrn Dr. med. 

Günther und Frau S. Latta, die mich mit vielen Ratschlägen zur Präparation und 

zum Patchen von Herzmuskelzellen unterstützt haben. 

T. Meyer-Thorke danke ich für die Durchsicht der Arbeit auf Rechtschreibung und 

allen anderen im Institut für Mikroelekronik und Festkörperelektronik an der Technischen 

Universität Berlin danke ich für die gute Zusammenarbeit.

Anhang i. Simulationsmodell - FG Mikroelektronik, TU Berlin

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