Instrumentierung Flashcards
(40 cards)
Beschreibe das heute gängige Membranmodell
- Singer und Nicholls Flüssigmosaikmodell
- Proteine, die in Membran integriert sind, sind Satz globulärer Moleküle –> die ionischen und hochpolaren Gruppen ragen aus Membran in wässrige Phase –> unpolaren Gruppen sind weitgehend im hydrophoben Inneren der Membran
- die globulären Moleküle sind teilweise in eine Matrix aus Phospholipid eingebttet
- der Großteil des Phospholipids ist als diskontinuierliche flüssige Doppelschicht organisiert, obwohl ein kleiner Teil des Lipids spezifisch mit den Membranproteinen interagieren kann
- die flüssige Mosaikstruktur ist daher drmal analog zu einer 2D orientierten Lösung von integralen Proteinen oder Lipoproteinen im viskosen Phopholipidllösungsmittel
- Lipidmembran 5 nm Dicke Membran
- keine kovalenten Bindungen
- Doppelschicht: darin Proteine eingebettet
- Glykostruktur, die nach außen gerichtet ist
- innen: Verknüpfung mit Cytoskelett
Lipidmembran:
- Fettsäurekette
- polare Kopfgruppe außen der Membran
- hydrophobe Seitenketten innen
Welche Eigenschaften besitzen Lipidmoleküle?
- Durchmesser: 1 nm
- bilden Lipidmembranen
- polare Kopfgruppe
- hydrophobe Fettsäureketten (Lipidschwanz)
Mit welchen Methoden kann nachgewiesen werden, dass eine Membran eine Doppelschichtstruktur hat?
- Färbung
- Gram-negative habedn zwei Membranen –> Farbe kann nicht eindringen
- Elektronenmikroskopie
Anhand welcher Kriterien lässt sich bestimmen, ob ein Produkt „bionisch“ ist? Nenne ein Beispiel.
. Biologisches Vorbild
- Abstraktion vom biologischen Vorbild
- Übertragung in technische Anwendung
Bsp. Lotus-Effekt
1) Selbstreinigungseffekt von Pflanzenoberflächen durch mikro und monostrukturierte Oberfläche/ wasserabweisenden Effekt der äußeren Wachsschicht und Oberflächenspannung 2) Konstruktion spezieller Mikrostrukturierung von Oberflächen 3) Wasserabweisende Oberflächen
- Integrierte statt additive Konstruktion
- Optimierung des Ganzen statt Maximierung des Einzelelements
- Multifunktionalität statt Monofunktionalität
- Feinabstimmung gegenüber der Umwelt
- Energieeinsparung statt Energieverschleuderung
- Direkte und indirekte Nutzung der Sonnenenergie
- Zeitliche Limitierung statt unnötiger Haltbarkeit
- Totale Rezyklierungstatt Abfallanhäufung
- Vernetzung statt Linearität
- Entwicklung im Versuch-Irrtum-Prozess
- und 8.: Physalis –> Schale wird porös und zersetzt sich
Welche Rolle spielt Bionik bei der Entwicklung von modernen Implantaten?
- Spongiosa: verknöcherte Zug- und Druckspannungstrajektorien –> Reformieren sich bei Belastungen und nach Brüchen
- Implantate ähnlich aufbauen: versehen mit spongiosaähnlichenr Oberfläche zur kraftschlüssigen Verzahnung
- regelmäßige Strukturen sind technisch besser zu kontrollieren und anpassbar
- Beschichtungen: Gefahr der Entlaminierung –> Lösung: 3D gedruckte Metall-Implantate (Titan)
- heute: maßgeschneiderte Implantate
Nenne einen Vordenker der Bionik und dessen Produkt, und beurteile deren Bedeutung für die Entwicklung der Bionik.
- Lernen von der Natur für die Technik
- Da Vinci: Verständnis Vogelflug –> Konstruktion Flugapparat
Nenne die sechs Fertigungstechniken.
- Urformen
- Umformen
- Trennen
- Fügen
- Beschichten
- Generative Fertigungsverfahren
Was versteht man unter Zerspanung?
- subtraktives Verfahren
- weicheres Material wird durch härteres abgetragen
- MAterial bildet Spähne aus
- Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide ( Bohren, Drehen, Fräsen)
Was versteht man unter Generativer Fertigung?
- neuartige Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, Werkzeugen, die durch schichtweisen Auftrag von Wekstoffen charakterisiert sind –> additiv
- klassische Verfahren formgebunden
- Konstruktion –> Slicen –> Fertigung
Beschreibe den Aufbau und die Funktionsweise eines Synchrotrons.
- Teilchenbescheluniger
- geladenen Elementarteilchen oder Ionen auf sehr hohe Geschw. beschleunigt –> hohe Ekin
- zur Beschleunigung: hochfrequentes elektrisches Wechselfeld
- teilchen ind nachgeregelte Magnetfelder auf eine in sich geschlossene Bahn geleitet (Undulatoren: abwechselende Ausrichtung –> sinusförmige Bahn)
- -> Teilchen gibt Synchrotrnstrahlung in seiner durchschnittlichen Flugrichtung ab –> Strahlung durch Ablenkung der Teilchen
Nenne drei „injection devices“ und grenze sie gegeneinander ab.
- n: Anzahl der Magnetpolpaare
- Ablenkmagnet –> mit Wiggler und Undulatoren kann man höhere Leistungen erreichen
- Wiggler: Spektrum wie Ablenkmagnet (kontinuierlich, Verstärkung ist prop. 2n) –> Teilchen werden stärker ausgelenkt (stärkere Magneten verwendet)
- Undulator ( Interferenz der Strahlungsfelder –> Bänderspektrum; Versträkung ist prop. zu n^2) –> Ablenkwinkel in Größenordnung des natürlichen Öfnfugswinels der Strahlung
- Unterschiede durch verschiedene Bauarten erreicht
Was ist das reziproke Gitter und wie hängt es mit dem (Röntgen-)Streubild zusammen? Erkläre auch die Bedeutung von Formfaktor und Strukturfaktor.
- Röntgenbeugung an Kristall, Kristallstruktur = Gitter +Atombasis, Basis = Atompositionen + Atome
- Kristallebenen können über Miller-Indizes (hkl) beschrieben werden
- Beugungsbedingung: lambda ca. so groß wie a, b (Gitterkonstanten)
- Streuung von Teilchen an Target: Streuungsquerschnitt beschreibt Maß der WW zweier Stoßpartner
- Photonen dringen weit in Material ein, Elektronen schon an Oberfläche gestreut
- Bragg.Bedingung für konstruktive Interferenz: nur in Richtungen Detektion wo Bragg Bed erfüllt und somit Strahlen reflektiert werden
- im inversen Raum Bragg-Reflexe
- reziprokes Gitter im inversen Raum ist Beigungsbild des direkten Gitters
- hkl Ebenen als Punkte darstellbar
- Strukturfaktor: FT von Gitter punkten, in den Bragg konstruktive Interferenz stattfindet
- Formfaktor: FT von Basis (Einhüllende)
- Formfaktor * STrukturfaktor = Streubild
- Atombasis gefaltet mit Gitter = Kristallstruktur
Raumgitter
Basissystem: I = (u,v,w), cm System I = (u,v,w) cm
Reziprokes Gitter
Basissystem: G = (h,k,l), cm^-1 System: G = 2pi (h,k,l) cm^-1
- Ebenenscharen im Raumgitter –> auf einer Ebene der Ebenschar wird der reziproke Gittervektor konstruiert
- Jeder Gitterpunkt symbolisiert eine Ebenschar des Raumgitters –> alle nierdrig indizierten Ebenen finden sich in den Gitterpunkten um den Ursprung wieder
- reziproker Gittervektor G =[h,k,l) steht senkrecht auf der Ebenenschar des Raumgitter mit den Indzizes {h,k,l}
- reziprokes Gitter ist FT des Raumgitters –> jede im Kristall periodische Funktion (zum Beispiel Elektronendrichte) kann durch die durch das reziproke Gitter vorgegeben Ortsfrequenzen entwickelt werdem
- Bsp. Formfaktor: In Raumgitter auf jede Position ein Atom setzen –> Kristall; gleichwertig, wenn man im reziproken Gitter die lokale Elektronendrichte auf jeden Punkt setzt (ist Fourierkomponente der betrachteten Krsitalleigenschaft)
–> Strukturfaktor setzt sich additiv aus den Beiträgen der einzelnen Atome zusanmmen, wobei jeder Beitrag mit einem Phasenfaktor multipliziert wird, der seine Position kodiert
- im Fourierraum
- Beugungsbild des DL
- ist dem DL gleichwertig
- Einheitsvektoren sind senkrecht zu je zwei des DL
- hkl sind Indizes eines Punktes
- geht aus dem DL durch FT hervor
- periodische Eigenschaften erscheinen im inversen Raum als Punkte
- je größer die Periode im DL, desto näher liegen die Punlte am Ursprung
Die Beugungsmaxima sind eine Projektion des reziproke Gitter.
Das reziproke Gitter beschreibt also die räumliche Anordnung derBeugungsmaxima.
Aus welchem Material bestehen Elektroden für die Elektrophysiologie?
- Silber/Silberchlorid –> reversibel, aber baut sich ab
- Platin –> irreversibel, aberbaut sich nciht ab
Welche Transmembranpotentiale gibt es?
- Donnan Potential (wird durch fixierte Anionen im Cytoplasma verursacht –> Summe aller Ladungen auf beiden Seiten der Membran muss Null sein –> unterschiedliche Verteilung bei verschiedenartigen Ionen auf beiden Seiten der Membran –> ergibt osmotischen Druck und bewirkt Diffusionspotential)
- Diffusionspotential (Potentialsprung an der Phasengrenze von zwei verschiedenen Elektrolytlösungen (unterscheiden sich in chem. Natur oder Konzentration –> Phasengrenze hier Membran)
- elektrogene Ionenpumpen (wie NAtrium- oder Calciumpumpe –> an Zellgrenzen wird elektrische Potentialdifferenz aufgebaut –> elektrochemische Gradienten können zum Transport anderer Substanzen und zu Signalübertragung genutzt werden)
Welche intrinsischen Membranpotentiale gibt es?
- Born Potential (beruht auf Sepration der ELektronenbewegung zu Nukleibwegung)
um aus Bereich mit hoher Dielektrizitätskostante in Bereich mit niedriger zu kommen –> Abstreifen der Hydrathülle –> Energieaufwand –> Born-Energie - Oberflächenpotential (Gouy-Chapman Potential) –> Ladungen an Oberfläche eines Teilchens erzeugen Potential –> hat unmittelbar an der Grenzfläche bestimmten Wert –> fällt zur Lösung hin ab (wie ändert sich Potential mit zunehmenden Abstand?) Weiterentwicklung de relktrischen Doppelschicht (auf Oberfläche fixierte Ladungen ziehen Gegenionen an –> el Doppelschicht bildet sich) –> thermische Bewegung der Moleküle wird berücksichtigt
- Dipolpotential –> resultiert aus Ladungsverteilung an der Mbran/WasserGrenzfläche –> vrursach durch Polarisation der in Lipiden vorkommenden funktionalen Gruppen, der Orientierung der an die Membran angelagerten Dipoele ´und die unterschiedlichen Elektronegativitäten der Atome in den Kopfgruppen der Lipide –> Potentialsprung
Erkläre den direkten und den inversen Piezoelektrischen Effekt
Direkt:
- Erezugung elektrischer Polarisation durch Ausübung mechanischer Spannung auf einen Kristall
Indirekt:
- Erzeugung mechanischer Dehnung durch Anlegen eines elektrischen Feldes an einen Kristall
direkter Piezoeffekt
- erzeugtes E-feld übt eine Kraft auf Ladungsverteilung des Kristalls aus –> wirkt der auslenkenden mechanischen Kraft entgegen –> erhöht die Starrheit des Kristalls –> Elastitzitätsmodul erhält zusätzlichen Beitrag
Wie funktioniert eine Delay-Line Anordnung von Interdigitaltransducern?
- IDT beinhaltet 2 Elektroden
- el. Wechselfeld wird angelegt
- inverser Piezoeffekt –> Längenänderung Kristall –> pflanzt sich über oberfläche des Kristalls fort –> mechanische Welle bildet sich aus
- in Gas oder Flüssigkeit –> wenn etwas bindet an angebrachten Rezeptor –> Eigenschaften der Welle ändern sich
- weiterer IDT: hier Piezoeffekt –> Längenänderung verursacht Abstand der Elektroden –> el. Feld
Wie hängt die Messvariable Resonanzfrequenz mit der Messgröße Massenbelegungzusammen?
- Sauerbrey-Gleichung
- Fremdmasse mf = sfFpf = sFp
- s. Dicke
- F: Fläche
- p: Dichte
- -> lineare Beziehung
- -> Dickenänderung verursacht Frequenzverschiebung df
- df = -f0/(s*p) * y = - cf * y
- y: MAssenbelegung
- cf: Schichtwägemepfinflichkeit
- v: Phasengeschwindigkeit
- df/f0 = - (sfpfF)/(spF) = - mf/(spF) = y/(s*p)
- Zähler: Fremdschicht
- Nenner: Substrat ohen Fremdschicht
Beschreibe den Aufbau einer optischen Pinzette.
- ein stark fokussierter Laser erzeugt eine KRaft, die groß genug ist, um mikrometergroße dielektrische Partikel einzugangen
- benötigt: Laser, Linse, Objekt, Dämpfendes Medium
- wichtig: nur wenn Brechungsindex des Mediums und des Teilchens sich ausreichend unterscheiden, kann Gradientenkraft sich ausbreiten –> Druck von Laser überkompensieren
Erkläre, warum die optische Pinzette ein Teilchen im Laserfokus festhalten kann.
- Laserstrahl trifft auf Teilchen, teil wird transmittiert und an Grenzflächen gebrochen –> Ro´ichtungsänderung
- Licht trägt neben Energier auch Impus –> ebenfals Änderung (da Licht Richtung ändert)
- der so übertragene Puls muss nach Impulserhaltung von Teilchen stammen –> also Kraft zwischen Strahl und Teilchen
- unfokussierter Lsserstrahl, Teilchen im Strahlmittelpunkt –> Strahlen haben gleiche Intensität und gleiche Richtung –> gleicher Impuls –> Treffen auf Teilchen –> Richtungsänderung –> Nettoimpulsänderung durch beide Teilstrahlen erfassen –> Laserstrahl erfährt Impulsänderung nach oben –> Kugel wegen Impulserhaltung dann nach unten –> vom Strahl nach unten gedrückt
- nun Teilchen außerhalb Strahlmittelpunkt: Teilstrahlen haben nicht mehr gleiche Intensität und icht mehr gleichen Impuls –> erfahren vom betrag her eine unterschiedliche Impulsänderung –> Impulsänderung für Gesamtstrahl nach links oben –> Kugrl weicht nach rechts unten und wird zum Strahlmittelpunkt (Stelle der Hächsten Intensität gezogen –> 2D Falle, aber Kugel wird immer noch nach unten gedrückt –> benötigt fokussierten laserstrahl, Teilchen im Strahlmittelpunlt aber unterhalb des Laserfokus
- -> gleiche Intensität der Teilstrahlen und damit betragsmäßig gleicher Impuls aber Richtung unterschiedlich –> Laserstrahl erfährt Impulsänderung nach unten –> Teilchen nach oben –> wird zum Laserfokus hingezgen –> Teilchen bewegt sich entgegen Strahlrichtung
Welche Komponenten hat die Bewegungsgleichung eines Teilchens in einer optischen Falle?
- m*a (Newton)
- ß*v (Zugkraft)
- k*x (Rückstellkraft)
- F(t) (Brownsche Molekülbewegung)
- -> Summe 0
Beschreibe den prinzipiellen Aufbau eines Rasterkraftmikroskops
- Messspitze, die auf elastisch biegsamen Hebelarm befindet
- wird als Messonde in geringem Abstand über Probenoberfläche geführt
- piezoelektrischer Scanner bewegt hierfür entweder Spitze über Probe oder Probe unter feststehender SPitze
- Verbegungen des Hebelarms (hervorgerufen durch Kräfte zwschen Probe und Spitze) werden hochaufgelöst gemessen –> meist indem ein Laserstrahl auf die Spitze gerichtet und der reflektierte Strahl mit einem Photodetektor aufgefangen wird
- Verbiegungen des Hebelarms geben Aufschluss über die Oberflächeneigenschaften der Probe
Mit welchen Methoden kann man die Durchbiegung eines Cantilevers messen?
Laserstrahl-Auslenkung
- Laser auf Cantilever
- reflektiertes Licht auf Photodiode
Elektronentunneln (Scanning Tunnling Mikroskop)
Optische Interferenz (zusätzliche Linse)
Kapazitäts-Methode (Gegenplatte und Kapazität zwischen dieser und Cantilever messen)