Die Kopplung von Ionenkanälen mit Feldeffekttransistoren ist die Grundlage für die Entwicklung und das Verständnis von halbleiterbasierten Bio- und Neurosensoren. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Kopplungsmechanismen des Ionenkanal-Zell-Transistor-Systems. Hierfür wurden durch gentechnische Methoden spannungsabhängige kaliumselektive Ionenkanäle in Zellen einer permanenten Zellinie exprimiert. Um die Kopplung zu studieren, wurden diese Zellen auf Halbleiterchips mit metallfreien Feldeffekttransistoren kultiviert und die Ionenkanäle in der Zellmembran durch Patch-Clamp-Technik aktiviert. Das Öffnen der Kaliumkanäle in der Adhäsionsmembran führt zu einem Einstrom von Kaliumionen in die Kontaktzone zwischen Zelle und Substrat verbunden mit einem ohmschen Spannungsabfall und einer diffusiven Konzentrationsänderung der Ionen im Spalt zwischen Zellmembran und Transistoroberfläche. Beide Effekte modulieren den Source-Drain-Strom des Transistors, der elektrische Anteil über eine lokale Änderung der Gatespannung und die Konzentrationsänderung über eine Veränderung des Oberflächenpotentials der Siliziumoxidoberfläche. Das resultierende Transistorsignal besteht daher aus einer schnellen elektrischen Signalkomponente mit einer Zeitkonstante von 1 µs und einer langsamen chemischen Komponente mit einer Zeitkonstante von 10 ms. Die Signalantwort konnte durch ein Elektrodiffusionsmodell im Spalt in Verbindung mit der Bindungskinetik der Ionen an die Oxidoberfläche modelliert werden. Durch Reduzierung der Natriumkonzentration im extrazellulären Elektrolyten wurde das theoretische Modell der Zell-Transistor-Kopplung überprüft. Experimente in natriumfreien Elektrolyten führten zu einer Erhöhung des Signal/Rausch-Verhältnisses. Dadurch konnte das dynamische Gatingverhalten der Ionenkanäle in der Adhäsionsmembran aufgelöst und Lösungsansätze für die Verwirklichung eines nicht-invasiven Biosensors gewonnen werden.     «

Die Kopplung von Ionenkanälen mit Feldeffekttransistoren ist die Grundlage für die Entwicklung und das Verständnis von halbleiterbasierten Bio- und Neurosensoren. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Kopplungsmechanismen des Ionenkanal-Zell-Transistor-Systems. Hierfür wurden durch gentechnische Methoden spannungsabhängige kaliumselektive Ionenkanäle in Zellen einer permanenten Zellinie exprimiert. Um die Kopplung zu studieren, wurden diese Zellen auf Halbleiterchips mit metallfreien Felde...     »

The interfacing of semiconductor devices with ion channels is the basis for the development of cell-based biospecific electronic sensors. To elucidate the mechanism of cell-chip coupling the voltage-gated potassium channel Kv1.3 was studied. It is expressed in HEK293 cells on field-effect transistors in silicon with a metal-free gate of silicon dioxide. The ion channels in the cell membrane are electrically controlled by patch clamp technique. When the potassium channels open and close, there is a fast and a slow response of the source-drain current in the transistor that is held at constant bias voltages to bulk electrolyte. We assign both signals to K+ ions that flow through the channels into the nanospace between cell and chip. The fast signal on a time scale of one microsecond is due to a change of the gate voltage as caused by charge diffusion in a core-coat conductor. The slow signal on a time scale of ten milliseconds is related with a change of extracellular ion concentration (electrodiffusion) which affects the transistor threshold. It is rationalized in all details by a surface model of the electrical double layer with binding dynamics of potassium and sodium ions. In order to verify the proposed theoretical model the extracellular concentration of sodium was varied. The reduction of the sodium concentration led to an expected enhancend signal/noise ratio. In the environment of low ionic strength solution the dynamical gating of the ion channels in the adhesion membrane could be resolved. The application of this kind of electrolytes for a new type of a non-invasive biosensor was tested.     «

The interfacing of semiconductor devices with ion channels is the basis for the development of cell-based biospecific electronic sensors. To elucidate the mechanism of cell-chip coupling the voltage-gated potassium channel Kv1.3 was studied. It is expressed in HEK293 cells on field-effect transistors in silicon with a metal-free gate of silicon dioxide. The ion channels in the cell membrane are electrically controlled by patch clamp technique. When the potassium channels open and close, there is...     »