-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, ein System und ein Verfahren zum Detektieren einer Sinneswahrnehmung. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung, die die Sinneswahrnehmung durch Ermitteln eines Zellzustands einer organischen Rezeptorzelle detektiert.
-
Die menschliche bzw. tierische Sinneswahrnehmung „schmecken” gehört zu den wichtigsten Sinnesorganen des Menschen oder eines Tieres. Der Geschmackssinn des Menschen baut auf den Signalen von circa 2000 auf der Zunge verteilten Geschmacksknospen bzw. Rezeptorzellen auf. Der Geschmackssinn dient zum Beispiel zur Beurteilung von Qualität und Genusswerten von Nahrungsmitteln und zum Erkennen von Stoffen, insbesondere von gefährlichen Stoffen, wie Reinigungsmittel (bitterer Geschmack). Die Geschmackserkennung und insbesondere die technische Geschmackserkennung mittels Sensorik ist daher ein wichtiges Anwendungsgebiet mit einer Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten.
-
Bei bisherigen Verfahren bzw. Vorrichtungen zur Detektion von „Geschmack” eines Analyten wird zwischen zwei unterschiedlichen Ansätzen unterschieden: Alle derzeit vorhandenen Messsysteme basieren entweder auf der direkten chemischen Analyse der Bestandteile des Analyten oder auf chemischen bzw. biochemischen Sensoren. Ein auf dem Markt verfügbares System, welches auf multimodal eingesetzten, chemischen Sensoren (gleichzeitige Nutzung mehrerer Sensoren) basiert, ist die „ASTREE electronique tongue”. Bei chemischen Sensoren erfolgt die Erkennung von Geschmack durch Detektion eines einem Geschmack zugeordneten chemischen Analysewerts (z. B. elektrochemisches Potential), wobei die Korrelation von Analysewert und Geschmack unter Zuhilfenahme von sogenannten Humanpanels ermittelt wird. Unter dem Begriff „Humanpanel” wird die Untersuchung von Analyten mittels Geschmackstests durch menschliche Probanden verstanden, wobei der Einsatz derartiger Humanpanels und insbesondere die statistische Auswertung der Testergebnisse aufwendig und mit hohen Kosten verbunden sind.
-
Die Veröffentlichungen von Chen et al. zu „A biometric taste receptor cell-based biosensor for electrophysiology recording and acidic sensation” und von Liu et al. „Olfactory cellbased biosensor” zeigen einen Ansatz, bei dem eine organische Rezeptorzelle mittels eines Licht-adressierbaren potentiometrischen Sensor-Chips (LAPS) beobachtet wird.
-
Die Veröffentlichung von Chen et al. zeigt einen Biosensor, bei dem Geschmacksrezeptorzellen (z. B. einer Ratte) auf einem Licht-adressierbaren potentiometrischen Sensor-Chip kultiviert sind. Der Licht-adressierbare potentiometrische Sensor-Chip detektiert eine Oberflächenpotentialänderung. Das Detektieren der detektierten Oberflächenpotentialänderung erfolgt teils optisch durch Erfassen eines Photostroms auf dem Licht-adressierbaren potentiometrischen Sensor-Chip.
-
Die Veröffentlichung von Liu et al. zeigt den oben erwähnten Licht-adressierbaren potentiometrischen Sensor-Chip. Dieser Licht-adressierbare potentiometrische Sensor-Chip ermöglicht ein Beobachten eines extrazellulären Potentials einer Zelle, wie z. B. einer Rezeptorzelle.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Detektieren einer Sinneswahrnehmung mit hoher Genauigkeit zu schaffen. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch eine Vorrichtung zum Detektieren einer Sinneswahrnehmung hinsichtlich eines Analyten gemäß Anspruch 1, durch ein System zum Detektieren einer Sinneswahrnehmung hinsichtlich eines Analyten gemäß Anspruch 19 und durch ein Verfahren zum Detektieren einer Sinneswahrnehmung hinsichtlich eines Analyten gemäß Anspruch 20 gelöst.
-
Der Kern der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass eine menschliche oder tierische Sinneswahrnehmung hinsichtlich eines Analyten durch eine organische Rezeptorzelle (als künstliches Organ) und durch eine Sensorik, die den Zellzustand bzw. die Reaktion der Rezeptorzelle auf den Analyten abgreift und in ein elektrisches Signal transferiert, detektiert werden kann. Hierzu wird der Analyt an die organische Rezeptorzelle angelagert. Die Reaktion der Rezeptorzelle, beispielsweise einer künstlichen Geschmacksknospe auf einem künstlichen Epithel, gleicht oder ähnelt der Reaktion einer Geschmacksknospe des menschlichen oder tierischen Sinnesorgans und kann durch die Sensorik beispielsweise optisch, elektrisch oder impedimetrisch erfasst werden. Die Sensorik gibt ein Zellzustandssignal aus, welches einen Rückschluss auf die menschliche oder tierische Sinneswahrnehmung zulässt.
-
Entsprechend einem Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung zum Detektieren einer Sinneswahrnehmung hinsichtlich eines Analyten eine organische Rezeptorzelle zur Erfassung der Sinneswahrnehmung und eine Sensorik. Die organische Rezeptorzelle ist ausgebildet, um einen Zellzustand einzunehmen, der von dem an der Rezeptorzelle angelagerten Analyten abhängt. Die Sensorik ist ausgebildet, um den Zellzustand zu ermitteln bzw. die Reaktion auf den Analyten zu beobachten und ein den Zellzustand anzeigendes, auswertbares Zellzustandssignal auszugeben. Ein Vorteil dieses Ausführungsbeispiels ist, dass das angewendete Detektionsverfahren auf einer organischen Rezeptorzelle basiert, die gleich bzw. vergleichbar mit den Rezeptorzellen des menschlichen oder tierischen Sinnesorgans bzw. der Zunge ist und so die Vergleichbarkeit der technisch ermittelten Sinneswahrnehmung zu der menschlichen oder tierischen Sinneswahrnehmung verbessert wird, was zu einer Erhöhung der Genauigkeit führt.
-
Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung mindestens einen Nanopartikel auf, der an die organische Rezeptorzelle angekoppelt ist. Der Nanopartikel weist eine von dem Zellzustand abhängige Fluoreszenzcharakteristik oder ggf. einen Indikatorfarbstoff mit einer Fluoreszenzcharakteristik auf, wobei der Zellzustand beispielsweise von einer Ionenkonzentration in, einer Molekülkonzentration in, eines elektrischen Potenzials an und/oder einer elektrischen Polarität der Rezeptorzelle abhängt. Die Fluoreszenzcharakteristik des Nanopartikels wird bei diesem Ausführungsbeispiel durch einen optischen Sensor der Sensorik erfasst. Die optische Detektion kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen durch einen Mikrotiterplatten-Reader, ein Oberflächenplasmonenresonanz-Array (SPR-Array), ein Fluoreszenzmikroskop, ein Ramanspektroskop, einen optischen Detektor in Kombination mit einer Lichtquelle oder eine Kombination derselben erfolgen. Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass der Nanopartikel die Information hinsichtlich des Zellzustands bzw. der Zellzustandsänderung direkt in ein auswertbares, optisches Signal, nämlich die Fluoreszenzcharakteristik, überführt.
-
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann die Sensorik weitere Sensoren zur Erfassung eines elektrischen Potenzials der Rezeptorzelle mittels einer an die Rezeptorzelle elektrisch gekoppelten, elektrochemischen Mikroelektrode und/oder zur Erfassung der Leitfähigkeit aufweisen. Hierbei ist es vorteilhaft, dass einzelne Parameter des Zellzustands, wie zum Beispiel das elektrische Nerven-Potenzial, direkt ermittelt werden können.
-
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst die Vorrichtung zum Detektieren der Sinneswahrnehmung und einen Signalanalysator, der ausgebildet ist, die Sinneswahrnehmung hinsichtlich des Analyten auf Basis des Zellzustandsignals zu bestimmen, wobei die Bestimmung mittels eines Vergleichs des aktuellen Zellzustandsignals mit einem vorher bestimmten Zellzustandsignal eines bekannten Analyten erfolgen kann. Hieran ist vorteilhaft, dass der Signalanalysator direkt eine Information über den Geschmack des Analyten (z. B. salzig) ausgibt.
-
Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft ein Verfahren zum Detektieren einer Sinneswahrnehmung, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen des Analyten, Zuführen des Analyten an eine organische Rezeptorzelle zur Erfassung einer Sinneswahrnehmung, Ermitteln des Zellzustands der Rezeptorzelle, der von dem an der Rezeptorzelle angelagerten Analyten abhängig ist, und Ausgeben eines den Zellzustand anzeigenden Zellzustandsignals.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Detektion einer Sinneswahrnehmung entsprechend einem Ausführungsbeispiel;
-
2 eine schematische Schnitt-Darstellung einer organischen Rezeptorzelle zur Erfassung einer Sinneswahrnehmung entsprechend einem Ausführungsbeispiel;
-
3 eine schematische Darstellung eines Nanopartikels entsprechend einem Ausführungsbeispiel; und
-
4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Detektion einer Sinneswahrnehmung auf einem Substrat entsprechend einem Ausführungsbeispiel.
-
Die oben beschriebenen Messsysteme, die auf der chemischen Analyse oder chemischen bzw. biochemischen Sensoren basieren, sind mit der Funktionalität des menschlichen oder tierischen Geschmackssinnes nur bedingt vergleichbar, was die Korrelation zwischen dem chemischen Analysewert und dem Geschmack erschwert. Hintergrund hierzu ist, dass bei chemischen Analysemethoden normalerweise nur eine kleine Gruppe bzw. eine Teilmenge der Geschmacksstoffe identifiziert und gemessen werden kann. Bei chemischen Sensoren, bei denen im Regelfall die Empfindlichkeit wesentlich geringer ist als bei chemischen Analysemethoden, ist die Übertragbarkeit des Messwerts bzw. Analysewerts auf die menschliche oder tierische Sinneswahrnehmung nur eingeschränkt möglich, da die Vergleichbarkeit des technischen Detektionsverfahrens mit dem „Detektionsverfahren” des menschlichen oder tierischen Sinnesorgans nicht oder nur eingeschränkt gegeben ist.
-
Aufgrund dieser messtechnischen Einschränkungen besteht der Bedarf, die Detektion einer Sinneswahrnehmung, insbesondere hinsichtlich Genauigkeit und Vergleichbarkeit, zu verbessern.
-
Bevor nachfolgend die vorliegende Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert wird, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente und Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die bei den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung der mit gleichen Bezugszeichen versehenen Elemente und Strukturen untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
-
1 zeigt eine Vorrichtung 10 zum Detektieren einer Sinneswahrnehmung hinsichtlich eines Analyten 12 mit einer organischen Rezeptorzelle 14 und einer Sensorik 16. Der Analyt 12 ist an die Rezeptorzelle 14 anlagerbar. Die Rezeptorzelle 12 ist ausgebildet, abhängig von dem an ihr angelagerten Analyten 12 einen Zellzustand, z. B. A oder B, auszubilden. An die Rezeptorzelle 12 ist die Sensorik 16 angekoppelt, um den Zellzustand der Rezeptorzelle 12 zu ermitteln und auf Basis dessen ein elektrisches Zellzustandssignal 18 auszugeben.
-
Ein Analyt 12, z. B. ein Nahrungsmittel, der an die Rezeptorzelle 14 angelagert wird, verursacht eine Änderung des Zellzustands bzw. eine Reaktion der Rezeptorzelle 14. Die organische Rezeptorzelle 14 zur Erfassung der beispielsweise menschlichen oder tierischen Sinneswahrnehmung ist zum Beispiel einer menschlichen oder tierischen Geschmacksknospe künstlich nachgebildet, so dass der Zellzustand beispielsweise analog zu der menschlichen oder tierischen Geschmacksknospe von einer Ionenkonzentration in der Rezeptorzelle 14, einer Molekülkonzentration eines bestimmten Moleküls in der Rezeptorzelle 14, von einem elektrischen Potenzial und/oder einer elektrischen Polarität der Rezeptorzelle abhängt. Dieser von dem angelagerten Analyten abhängige Zellzustand, beispielsweise A bei einer hohen Ionenkonzentration oder B bei einer niedrigen Ionenkonzentration, der Rezeptorzelle 14 wird durch die Sensorik 16, beispielsweise optisch oder elektrisch, ermittelt. Die Sensorik 16 ist dazu ausgebildet, ein den Zellzustand (A oder B) anzeigendes Zellzustandsignal 18 auszugeben. Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass die menschliche oder tierische Sinneswahrnehmung hinsichtlich des Analyten 12 direkt in ein elektrisches Zellzustandsignal 18 umsetzbar ist, so dass eine derartige Vorrichtung der menschlichen oder tierischen Sinneswahrnehmung bedeutend näherkommt als die bisherigen Messsysteme. Anwendungsbeispiele für die Vorrichtung 10 reichen von Geschmackstests von Lebensmitteln und anderen Stoffen, wie z. B. Pharmaka, bis hin zur Prozesskontrolle und zu Toxizitätstests.
-
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer ovalen organischen Rezeptorzelle 14, die auf einem künstlichen Epithel 20 ausgebildet ist. Das künstliche Epithel 20, das auf einem Substrat 22 angeordnet ist, umschließt die organische Rezeptorzelle 14 teilweise, wobei eine Zellmembran 14a das Epithel 20 und die organische Rezeptorzelle 14 trennt. Auf einer dem Substrat 22 gegenüberliegenden Seite ist die Zellmembran 14a der Rezeptorzelle 14 nicht vollständig geschlossen, so dass ein frei zugänglicher Bereich, nämlich eine Geschmackspore 24, ausgebildet wird, über die der Analyt 12 anlagerbar ist. Die organische Rezeptorzelle 14 weist einen Nervenstrang 27 und Basalzellen 26 mit jeweils einem Kern auf, die sich längs zwischen der Geschmackspore 24 und dem Substrat 22 erstrecken. Des Weiteren weist die Rezeptorzelle 14 Nanopartikel 28 auf, die in die organische Rezeptorzelle 14 eingelagert bzw. außen um die Rezeptorzelle 14 herum angebracht bzw. invasiv und/oder nichtinvasiv in die Rezeptorzelle 14 eingebracht sind.
-
Die künstliche organische Rezeptorzelle 14 bildet eine menschliche oder tierische Geschmacksknospe mit den Basalzellen 26 nach und wird über das künstliche Epithel 20, welches für die Rezeptorzelle eine geeignete Umgebung darstellt, und über die Zellmembran 14a mit Nährstoffen versorgt. Die Rezeptorzelle 14 ist ausgebildet, um bei Anlagerung eines Analyten 12 eine Zustandsänderung zu erfahren. Diese Zustandsänderung baut auf einem komplexen Wirkmechanismus innerhalb der Rezeptorzelle 14, bei dem das chemische Signal des Analyten 12 über mehrere chemische Zwischenschritte in eine Sinneswahrnehmung transportiert wird und über den Nervenstrang 27 ausgegeben werden kann. Bei der Detektion der Sinneswahrnehmung wird an geeigneter Stelle in den chemischen Signalweg messtechnisch eingegriffen, um die Signale abzugreifen und in ein elektronisch auswertbares Zellzustandsignal zu transferieren. In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt das Abgreifen des Zellzustands mittels der Nanopartikel 28, die eine Fluoreszenzcharakteristik aufweisen, die von dem Zellzustand abhängt. Im Detail reagieren die Nanopartikel 28 auf Konzentrationsänderungen, Ladungsänderungen und/oder Polaritätsänderungen in der Rezeptorzelle 14 unter einer Floreszenzerscheinung mit der Fluoreszenzcharakteristik oder unter einer Änderung der Fluoreszenzcharakteristik. Diese Fluoreszenzcharakteristik wird definiert durch (bzw. umfasst) eine Fluoreszenzintensität, eine Fluoreszenzabklingzeit, eine Fluoreszenzpolarisation und/oder weitere messbare Eigenschaften einer Fluoreszenz. Die jeweilige Fluoreszenzcharakteristik wird über eine Sensorik (vgl. Sensorik 16, 1) mit einem optischen Sensor erfasst und so durch dasselbe das Zellzustandsignal ausgegeben. Mögliche optische Sensoren hierfür sind ein konfokales Fluoreszenzmikroskop, ein hochauflösendes Fluoreszenzmikroskop (z. B. Stimulated Emission Depletion), konventionelle CCD-Arrays in Kombination mit einer Lichtquelle (z. B. Leuchtdiode oder Laserdiode), ein Mikrotiterplatten-Reader, ein Oberflächenplasmonen-Array oder foliengedruckte, organische Dünnfilmtransistoren in Kombination mit einer Elektrolumineszenzpaste.
-
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Nanopartikels 28, der den Nanopartikeln gemäß 2 entspricht. Der Nanopartikel 28 weist einen Kern 30 und eine Hülle 32, die den Kern 30 umgibt, auf. Des Weiteren kann der Nanopartikel 28 eine weitere optionale Hülle 34 aufweisen, die den Kern 30 sowie die Hülle 32 umgibt.
-
Die Hülle 32 weist einen Indikatorfarbstoff auf, der selektiv unterschiedliche Analyt-Ionen bzw. Analyt-Moleküle oder auf eine Polaritätsänderung, z. B. in der Partikelumgebung, durch die Änderung der Fluoreszenzcharakteristik anspricht. Der Kern 30 weist einen Referenzfarbstoff mit einer vorbestimmten, nicht von dem Zellzustand abhängigen Fluoreszenzcharakteristik auf, welcher eine stabile und referenzierte Messung ermöglicht.
-
Die optionale Hülle 34 weist Antikörper und/oder Liganden auf, die eine selektive, spezifische Anbindung des Nanopartikels 28 an vorbestimmte Bereiche der Rezeptorzelle, z. B. an die Zellmembranoberfläche (vgl. Zellmembran 14a, 2), oder an vorbestimmte Moleküle in der Rezeptorzelle ermöglichen. Die selektive Ankopplung der Nanopartikel 28 erfolgt über Ligand-Rezeptor-Interaktion oder Antikörper-Antigen-Wechselwirkung, so dass der einzelne Nanopartikel 28 mit seiner Oberfläche an funktionelle Gruppen ankoppelbar ist und so eine spezielle Ausprägung des Zellzustands zielgerichtet detektierbar ist. Beispielsweise kann der Nanopartikel 28, der über unterschiedliche Endozytose-Wege in die Rezeptorzelle eingebracht ist, im Zytosol (ionenhaltige Flüssigkeit) der Rezeptorzelle angelagert sein und hier auf eine Änderung der Ionenkonzentration reagieren.
-
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 40 zum Detektieren einer Sinneswahrnehmung hinsichtlich eines Analyten mit acht organischen Rezeptorzellen. Die acht organischen, beispielsweise Nanopartikel aufweisenden Rezeptorzellen 14 sind auf einem künstlichen Epithel 20 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel stellt ein Gehäuse 42 das Substrat dar. Das Gehäuse 42 hat eine Vertiefung 43 für das künstliche Epithel 20 mit einem Kanal 49, der das künstliche Epithel 20 mit einer weiteren Vertiefung 45 verbindet. Das Gehäuse 42 weist des Weiteren die Sensorik 16, die an der Vertiefung 43 angeordnet und an die Rezeptorzellen 14 angekoppelt ist, auf. Die Sensorik 16 kann als organische Elektronik auf einem Polymer, als Siliziummikroelektronik oder als eine Kombination dieser beiden Technologien, wie z. B. eine Einbettung eines ASICs (Anwendungsspezifische Integrierte Schaltung) in den polymeren Träger, realisiert sein. Die Sensorik 16 wird über die Anschlussleitungen 47a und 47b elektrisch kontaktiert. In der weiteren Vertiefung 45 sind exemplarisch zwei Sensoren 44 und 46 zur Bestimmung von Umgebungsbedingungen des Epithels 20 angeordnet, die über die Anschlussleitung 44a und 44b bzw. 46a und 46b elektrisch kontaktierbar sind. Des Weiteren weist das Gehäuse 42 eine verschließbare Analyten-Aufnahme 48 auf.
-
Die Vorrichtung 40 entspricht funktionell der Vorrichtung 10 gemäß 1, wobei die acht organischen Rezeptorzellen 14 jeweils selektiv auf unterschiedliche Typen-Gruppen der Analyten reagieren. Der Hintergrund hierzu ist, dass jede der Rezeptorzellen 14, analog zu dem menschlichen oder tierischen Sinnesorgan, ausgebildet ist, mit einer Zellzustandsänderung selektiv auf unterschiedliche Typen-Gruppen der Analyten, z. B. einen salzigen, einen süßen, einen sauren, einen bitteren oder einen umamigen Analyten, oder auf Unterschiede innerhalb den Typen-Gruppen, z. B. Intensität der Analyten einer der Typen-Gruppe, zu reagieren. Diese Unterscheidungen werden über unterschiedliche Signale einer der acht spezialisierten Rezeptorzelle 14, erfasst. Im technischen Sinne entspricht dieses Ausführungsbeispiel einem Senor-Array bzw. einer multimodalen Sensorik. Vorteilhaft hieran ist, dass die unterschiedlichen Typen-Gruppen der Analyten differenziert werden können und auch Unterschiede innerhalb den Typen-Gruppen erkennbar sind.
-
Der zu untersuchende Analyt wird über die Analyten-Aufnahme 48, die wirksam mit den Rezeptorzellen 14 verbunden ist, an diese zugeführt. Die sich einstellenden Zellzustände der Rezeptorzellen 14 werden entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 durch die Sensorik 16 ermittelt und über die Anschlussleitungen 47a und 47b ausgegeben, wobei die Sensorik 16 entweder alle Rezeptorzellen 14 parallel beobachtet oder für jede Rezeptorzelle 14 ein separate Sensorik ausgebildet ist. Mittels der Sensoren 44 und 46 können die Umgebungsbedingungen, beispielsweise Temperatur, Leitfähigkeit und Redox, des Epithels 20 und damit der organischen Rezeptorzellen 14, die auf dem Epithel 20 bzw. auf dem Substrat 42 gezüchtet sind, bestimmt bzw. überwacht werden. Die Sensordaten zur Bestimmung der Umgebungsbedingungen werden über die Anschlussleitung 44a und 44b von dem Sensor 44 bzw. über die Anschlussleitung 46a und 46b von dem Sensor 46 ausgegeben.
-
Alternativ kann das Substrat 42 eine Fluidik zur Versorgung des Epithels 20 bzw. der organischen Rezeptorzellen 14 aufweisen, mittels welcher die Analyten über die Analyten-Aufnahme 48 an die Rezeptorzellen 14 anlagerbar sind. Eine weitere Aufgabe der Fluidik ist es, die Umgebungsbedingungen, z. B. Temperatur für die Rezeptorzellen 14 sowie für das Epithel 20 konstant zu halten.
-
Die Elektronik und insbesondere die Sensorik 16 können, alternativ, als planare Elektronik oder als Polymer-optische Sensorik ausgeführt sein und Bestandteil der Fluidik oder des Substrats 42 bzw. 22 sein, so dass die Sensorik 16 direkt mit der Rezeptorzelle 14 bzw. der Zellmembran 14a gekoppelt ist (vgl. 2).
-
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen umfasst die Sensorik ein Impedanzmessgerät bzw. Leitfähigkeitsmessgerät, um den Zellzustand der Rezeptorzelle auf Basis einer impedimetrischen Messung oder Impedanzmessung zu bestimmen. Dieses Leitfähigkeitsmessgerät kann entweder direkt an der Rezeptorzelle oder an dem Epithel angeordnet sein. Dieses Impedanzmessgerät bzw. Leitfähigkeitsmessgerät kann beispielsweise auch Impedanzspektren aufnehmen.
-
Alternativ kann der Zellzustand mittels einer Potenzialmessung erfasst werden. Hierzu weist die Sensorik eine mit der Rezeptorzelle elektrisch gekoppelte, elektrochemische Mikroelektrode, die auch Ultramikroelektrode genannt wird, auf, um so das elektrische Potenzial der Rezeptorzelle elektrochemisch zu ermitteln. Alternativ hierzu wird mittels einer Mikroelektrode das Nerven-Potenzials bestimmt, indem die Mikroelektrode, beispielsweise nichtinvasiv mittels einer CMOS-Elektronik, an den Nerv (bzw. Nervenstrang 27, 2) gekoppelt ist.
-
Es wird darauf hingewiesen, dass bei Ausführungsbeispielen, die den Zellzustand elektrisch beispielsweise anhand des Nerven-Potenzials bzw. impedimetrisch ermitteln, die Rezeptorzelle nicht notwendigerweise einen Nanopartikel zur optischen Erkennung des Zellzustands aufweist.
-
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen ist die Sensorik als Kombination eines optischen Sensors, eines Impedanzsensors und/oder eines Sensors zur Bestimmung des Potenzials der Rezeptorzelle bzw. des Nerven-Potenzials ausgeführt. Die Kombination von unterschiedlichen physikalischen Messmethoden hat den Vorteil, dass Fehlmessungen vermieden werden, der Signal-Rausch-Abstand erhöht wird, was im Allgemeinen die Messsicherheit erhöht.
-
Auch wenn in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen davon ausgegangen wird, dass der Nanopartikel mit einer Änderung der Fluoreszenzcharakteristik auf eine Zellzustandsänderung reagieren, wird angemerkt, dass der Nanopartikel auch ausgebildet sein kann, eine Absorptionscharakteristik in Abhängigkeit des Zellzustands aufzuweisen. Ebenso wäre es denkbar, dass der Nanopartikel ausgebildet sein kann, eine UV-vis-Charakteristik (Charakteristik im ultravioletten und sichtbaren Bereich) oder Raman-Charakteristik oder IR-Charakteristik (Charakteristik im Infrarotbereich) oder SPR-Charakteristik (Oberflächenplasmonenresonanz-Charakteristik) in Abhängigkeit des Zellzustands aufzuweisen. Des Weiteren wird angemerkt, dass die Nanopartikel alternativ auch außerhalb der Rezeptorzelle an dieser oder an die Zellmembranoberfläche (vgl. Zellmembran 14a, 2) angekoppelt sein können. Des Weiteren wird darauf hingewiesen, dass die Rezeptorzelle auch unterschiedliche Nanopartikel, die auf unterschiedliche Ausprägungen des Zellzustands reagieren, aufweisen kann.
-
Bezug nehmend auf 3 wird angemerkt, dass der Nanopartikel anstelle eines Kern-Hüllenaufbaus alternativ homogen aus einer Kombination des Indikatorfarbstoffs und/oder des Referenzfarbstoffs aufgebaut ist. Der homogen aufgebaute Nanopartikel kann entsprechend einem weitern Ausführungsbeispiel eine selektive Ankopplung an vorbestimmte Bereiche der Rezeptorzelle bzw. vorbestimmte Moleküle beispielsweise mittels Liganden oder Antikörper ermöglichen.
-
Eine alternative Ausführungsform des in 3 gezeigten Nanopartikels 28 weist einen Kern 30 aus einem porösen Zeolithen, der eine Al-Ox- oder eine Si-Ox-Gruppe aufweist und auf einen Ionenaustausch mit Absorption reagiert, auf. Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Kern des Nanopartikels aus einem Metallpartikel bzw. aus einem magnetischen Partikel bestehen, so dass eine externe Manipulation des Nanopartikels möglich ist. Des Weiteren wäre entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel eine Verwendung von Metall-Nanopartikeln mit funktionellen Oberflächen denkbar (z. B. Quantum Dots, Up-Converting Nanopartikel, Photonische Kristalle). Derartige Metall-Nanopartikel sind über einen optischen Sensor, wie z. B. mittels oberflächenverstärkter Ramanspektroskopie (SERS = Surface Enhanced Raman Spectroscopy), detektierbar.
-
Bezug nehmend auf 2 weist die Rezeptorzelle 14 bzw. die Zellmembran 15 der Rezeptorzelle 14 entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel einen Indikatorfarbstoff oder Markerfarbstoffe zum Labeln von lebenden/toten Zellen, Zellmembranen, Zellkernen, Endosomen, Lysosomen, Mitochondrien, sowie gefärbte oder fluoreszierende Aptamere, Peptide, Proteine (z. B. Green Fluorescent Protein), Antikörper, Antigene, DNA bzw. RNA auf, so dass die Rezeptorzelle 14 bzw. die Zellmembran 14a direkt eine optisch detektierbare, von dem Zellzustand der Rezeptorzelle 14 abhängige Fluoreszenzcharakteristik aufweist.
-
Bezug nehmend auf 4 kann die Vorrichtung 40 Teil eines Systems zum Detektieren einer Sinneswahrnehmung sein, wobei das System ferner einen Signalanalysator aufweist, der auf Basis des Zellzustandsignals die Sinneswahrnehmung bestimmt. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen erfolgt die Bestimmung durch Vergleichen des ermittelten Zellzustandsignals mit vorher bestimmten Zellzustandsignalen bekannter Analyten. Da die Vorrichtung 40 eine Vielzahl von organischen Rezeptorzellen 14 aufweist, ist der Signalanalysator dazu ausgebildet, um aus einer Vielzahl von Zellzustandsignalen bzw. aus einer Kombination verschiedener Zellzustandsignale die Sinneswahrnehmung zu ermitteln. Die Ermittlung bzw. Verknüpfung verschiedener Zellzustandsignale erfolgt beispielsweise durch multivariate statistische Methoden, wie Hauptkomponentenanalyse, Schätzung von Kausalmodellen (Pfadanalyse, partial least square) oder neuronale Netze. Im technischen Sinne ist dieses System als Sensor Array mit multimodaler Sensorik zu verstehen. Ein weiterer Vorteil ist, dass mittels dieses Signalanalysators verschiedene Zellzustandssignale, die Auskunft über den Zellzustand unterschiedlicher Rezeptorzellen geben, kombiniert werden können. Alternativ kann der Signalanalysator als Computer, CPU oder als auf einer CPU ausführbares Programm realisiert sein.
-
Obwohl bei obigen Ausführungsbeispielen einzelne Aspekte der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf eine Vorrichtung erörtert wurden, wird an dieser Stelle angemerkt, dass diese Aspekte sich ebenso auf ein Verfahren zum Detektieren einer Sinneswahrnehmung beziehen. Bezug nehmend auf 4 umfasst das Verfahren folgende Schritte: Bereitstellen des Analyten 12; Zuführen des Analyten 12 an die organischen Rezeptorzellen 14 mittels der Analyten-Aufnahme 48; Ermitteln des Zellzustands der Rezeptorzellen 14; und Ausgeben des den Zellzustand anzeigenden Zellzustandsignals.
-
Es wird darauf hingewiesen, dass die oben beschriebenen Ausführungsbeispielen zur Detektion einer Sinneswahrnehmung sich sowohl auf die Detektion einer menschlichen Sinneswahrnehmung als auch auf die Detektion einer tierischen Sinneswahrnehmung, wie z. B. der eines Hundes, beziehen.
