Spektroskopie – Glukosemessung - Biosensoren Sommersemester 2007

1/25Biomedizinische Technik - Gerätetechnische Aspekte

Spektroskopie –Spektroskopie –

Glukosemessung -Glukosemessung -

BiosensorenBiosensoren

Sommersemester 2007Sommersemester 2007


SpektroskopieSpektroskopie = = Verfahren zur Ermittlung derVerfahren zur Ermittlung derstofflichen Zusammensetzungstofflichen Zusammensetzung

Spektroskopische Verfahren basieren auf der Wechselwirkung zwischen energetischer Anregung (elektromagn. Strahlung, Elektronen, Ionen)

und den Molekülen, Ionen oder Elektronen

der zu analysierenden Probe.

Entsprechend der jeweiligen spektralen Bewertung unterscheidet man:

• Absorptionsmessung bzw. Absorptionsspektroskopie,

• Transmissionsmessung bzw. Transmissionsspektroskopie,

• Emissionsmessung bzw. Emissionsspektroskopie,

• Reflexionsmessung bzw. Reflexionsspektroskopie,

• Fluoreszenzmessung bzw. Fluoreszenzspektroskopie.


Molekulare EndospektroskopieMolekulare Endospektroskopie

Quelle: C. Krafft, A. Weber, W. Steller unter

http://analyt.chm.tu-dresden.de/analyt/german/forschung/endospec_deu.html

Mikroskopaufnahme eines Hämatoxylin-Eosin gefärbten Gewebeschnittes einer Hirntumor-Metastase (oben). Score-Plot einer Hauptkomponentenanalyse von IR-Spektren eines ungefärbten Gewebe-schnittes (unten).

IR-Spektren um 1 µm von gesundem Hirngewebe und von Hirntumoren


Veränderung des Magnetisierungsvektors Veränderung des Magnetisierungsvektors durch Einstrahlung eines HF-Signalsdurch Einstrahlung eines HF-Signals


V. Vogel and G Baneyx: The Tissue Engineering Puzzle: A Molecular Perspective. In: Martin L. Yarmush; Kenneth R. Diller; Mehmet Toner (Editors): Ann. Rev. Biomed. Engin. 5 (2003) 441-463. ANNUAL REVIEWS, Palo Alto, USA.


Ausrichtung von Zellen an MikrostrukturenAusrichtung von Zellen an Mikrostrukturen

Zelllinie M2-10B4


K. Eshraghian, Proc. IEEE 2004: K. Eshraghian, Proc. IEEE 2004: Systems-on-a-chip Systems-on-a-chip


K. Eshraghian, Proc. IEEE 2004: K. Eshraghian, Proc. IEEE 2004: Systems-on-a-chip Systems-on-a-chip



Charakterisierung der Charakterisierung der elektromagnetischen Strahlung, elektromagnetischen Strahlung, die in verschiedenen Messmethoden die in verschiedenen Messmethoden verwendeten Spektralbereiche und die verwendeten Spektralbereiche und die zugehörigen Informationsgehaltezugehörigen Informationsgehalte


Methoden zur Bestimmung der Struktur und der chemischen Methoden zur Bestimmung der Struktur und der chemischen Zusammensetzung von OberflächenZusammensetzung von Oberflächen

Nachweis durch

Photonen

optisch RöntgenElektronen Ionen

optis

ch

AA UV IR

RamanUPS LIMA

Phot

onen

Rönt

gen

XRF XRD

ESCA

XPS

Elek

trone

n

EPM

SEM AES

TEM SAM

STM LEED

RHEED

Anr

egun

g du

rch

Ione

n SCANIIR IIXSIMS IPM SNMS

RBS ISS

Erklärung der Abkürzungen:AA Atomic AbsorptionAES Auger Electron SpectroscopyEPM Electron Probe MicroanalysisESCA Electron Spectroscopy for Chemical AnalysisIIX Ion Induced X-RaysIPM Ion Probe MicroanalysisIR Infrared SpectroscopyISS Ion Scattering SpectroscopyLEED Low Energy Electron DiffractionLIMA Laser induced Ion Mass AnalyzerRaman Raman SpectroscopyRBS Rutherford Backscattering SpectroscopyRHEED Reflexion High Energy Electron DiffractionSAM Scanning Auger MicroanalysisSCANIIR Surface Composition Analysis by Neutral

and Ion Impact RadiationSEM Scanning Electron MicroscopySIMS Secondary Ion Mass SpectrometrySNMS Secondary Neutrals Mass SpectrometrySTM Scanning Tunnel MicroscopyTEM Transmission Electron MicroscopyUPS UV-Photoelectron SpectroscopyUV UV- SpectroscopyXPS X-Ray Photoelectron SpectroscopyXRD X-Ray DiffractionXRF X-Ray Fluorescence Spectroscopy


Bereits besprochen:Bereits besprochen:

• TEM - Transmissions-

elektronenmikroskopie

• SEM - Rasterelektronenmikroskopie

• STM - Scanning tunnelling microscopy


Transmissionselektronenmikroskopie TEMTransmissionselektronenmikroskopie TEM

Elektronenstrahl (Wolframkathode)

Ausleuchten des ganzen Objektes

Stereomikroskopoder Kamera


Rasterelektronenmikroskopie REM Rasterelektronenmikroskopie REM (SEM)(SEM)

Elektronenstrahl wird auf einen Punktder Objektoberfläche fokussiert

Gestreute Elektronen werden in einem Detektor gesammelt

Signal wird als Punkt abgebildet

Führt den Elektronenstrahl Punkt Für Punkt über das Präparat


Rasterkraftmikroskop - Rasterkraftmikroskop - AFM (Atomic Force Microscope)AFM (Atomic Force Microscope)

Quelle: http://www.htw-dresden.de/mb/w511_lab.htm

Abtasten der Oberfläche mit einer sehr feinen SpitzeAbtasten der Oberfläche mit einer sehr feinen Spitze


Rastertunnel Mikroskopie - Rastertunnel Mikroskopie - STM (Scanning Tunneling Microscopy)STM (Scanning Tunneling Microscopy)


Rastertunnel Mikroskopie - Rastertunnel Mikroskopie - STM (Scanning Tunneling Microscopy)STM (Scanning Tunneling Microscopy)


Prinzip der Infrarot-SpektroskopiePrinzip der Infrarot-Spektroskopie



Anregung polychromatisch:VISoderMIR(Globar:Si-carbid, 1500 Kelvin)



Interferogramm

Spektrum


FTIR-SpektroskopFTIR-Spektroskop1 Lichtquelle2 Ellipsoidspiegel3 Blendenrad4 Parabolspiegel

Interferometer:5 Strahlteiler6 Referenzarm7 Messarm

8 Parabolspiegel9 Probenraum10 Probe11 Ellipsoidspiegel12 Detektor

13 – 17 Positionierlaser


FTIR-SpektroskopFTIR-Spektroskop


Prinzip der Raman-SpektroskopiePrinzip der Raman-Spektroskopie


Raman-Spektroskopie - EnergieniveausRaman-Spektroskopie - Energieniveaus


Messaufbau Raman-SpektroskopieMessaufbau Raman-Spektroskopie


Arbeitsplatz - Raman-SpektroskopieArbeitsplatz - Raman-Spektroskopie


Prinzip der Secondary Ion Mass - SpectrometryPrinzip der Secondary Ion Mass - Spectrometry


Prinzip der Secondary Ion Mass - SpectrometryPrinzip der Secondary Ion Mass - Spectrometry

1 Cesium ion source2 Duoplasmatron3 Electrostatic lens4 Sample5 Electrostatic sector –

ion energy analyser6 Electromagnet –

mass analyser7 Electron multiplier /8 Channel-plate /

Fluorescent screen –ion image detector


ESCA ESCA Elektronen Spektroskopie für die chemische AnalyseElektronen Spektroskopie für die chemische Analyse




ESCA ESCA Winkelabhängige Winkelabhängige Photoelektronenspektroskopie Photoelektronenspektroskopie







Bereiche des Vorherrschens von Photoeffekt - Bereiche des Vorherrschens von Photoeffekt - Comptoneffekt - PaarbildungComptoneffekt - Paarbildung


Wechselwirkung - PhotoeffektWechselwirkung - Photoeffekt

Mechanismus:Das vollständig absorbierte Anregungs-Photon überträgt seine Energie auf ein Hüllenelektron der bestrahlten Materie. Es löst dadurch das Elektron aus der Atomhülle und beschleunigt es. Dieses herausgelöste Elektron, auch Photoelektron genannt, verlässt die Schale in einer Richtung, die energieabhängig ist. Das dabei entstehende Elektronenloch wird durch ein weiter außen befindliches Hüllenelektron aufgefüllt.

Anregungsbedingung: E 20 keVPh Energiebilanz: E E EPh B kin


Folgeprozesse des Photoeffekts:Folgeprozesse des Photoeffekts:

Die beim „Auffüllen des Elektronenlochs“

frei werdende Energie ...

• wird abgestrahlt als sekundäre Röntgenstrahlung,

= charakter. Rö-Str.; = RÖ-Fluoreszenz-Strahlung,

• löst weitere Elektronen niederer Energie heraus,

= Auger-Elektronen,


NIR-Spektroskopie

a0

I( )T( ) exp[ d ( )]

I ( )

Beer-Lambert-Gesetz

ci - Stoffkonzentration in Lösungai - molarer Absorptionskoeffizient

a i ii

( ) c a ( )

I0 I

d

Küvette

Lösungµa


NIR-Spektroskopie:Bestimmung von chemischen Konstituenten einer Probe nach Art, Anzahl und Konzentration durch Messung der Schwächung optischer Strahlung im Wellenlängenbereich 600nm - 1300nm.

400 500 600 700 800 900 1000

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

(nm)

Ext

inkt

ion

(a

.u.)

H2OHb HbO2

Melanin / Lipofuszine

Bilirubin

Cytochrome

Hämoglobine(Hb, HbO2, HbC0, FHb, MetHb)

Indocyaningrün (Cardiogreen)

Myoglobin

Absorptionsspektrum MuskelgewebeAbsorptionsspektrum Muskelgewebe

Wasser


200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 200010

1

102

103

104

105

106

107

(nm)

Ab

sorp

tio

nsk

oef

fizi

ent

(1/c

m)

Hb

HbO2

H2O

Absorption und Eindringtiefe

UV

<1mm

VIS

1mm-10mm

NIR

1cm -5cm

IR

<1mm

Eindringtiefe:

Gewebe


Glukosemessung - BiosensorenGlukosemessung - Biosensoren


Gliederung der LehrveranstaltungGliederung der Lehrveranstaltung „Glukosemesstechnik“„Glukosemesstechnik“

1 Laborautomaten und stand by Geräte

1.1 historische Verfahren

1.2 enzymatische Methoden

1.3 Photometrie – Auswertung spezifischer Farbreaktionen

2 Home care Geräte

2.1 invasive Verfahren

2.2 minimal-invasive Verfahren

2.3 nichtinvasive Verfahren

3 Online Monitore / implantierbare Sensoren

3.1 elektrokatalytische Methoden

3.2 enzymatische Methoden

3.3 optische Methoden


Zitronensäurezyklus Atemkette




Diabetes mellitus ist eine der weitverbreitetsten Krankheiten der modernen Wohlstandsgesellschaft –

Weltweit sind 170 Millionen Menschen betroffen.


Diabetes mellitus = relativer oder absoluter Insulinmangel





Entwicklung und RealisierungEntwicklung und Realisierung

von sensorisch-analytischer Gerätetechnikvon sensorisch-analytischer Gerätetechnik





1 Laborautomaten1 Laborautomaten

1.1 historische Verfahren


1.1 historische Verfahren1.1 historische Verfahren

Vergärung (Einhorn)Komplexbildung mit Cu oder BiFarbbildung zu n-Glykosiden (Hultman)

Reduktionsproben:Pikrinsäure (Crecelius-Seifert)Kupfersulfat (Fehling)Ferricyankali (Hagedorn-Jensen)Kupfer (Somogyi)basisches Wismutnitrat (Nylander)

Polarimetrie


SaccharometernachEinhorn




1.2 enzymatische Verfahren


1.2 enzymatische Verfahren1.2 enzymatische Verfahren

Glucoseoxidase (GOD)

Glucosedehydrogenase= Glucose-6-phosphat-dehydrogenase (G-6-PDH)

Hexokinase (HK)


Amperometrische GlukosemessungAmperometrische Glukosemessung



1.3 Photometrie als Grundtechnik


Fotometrisches PrinzipFotometrisches Prinzip


Fotometrisches PrinzipFotometrisches Prinzip


Glukosemessung im LaborGlukosemessung im Labor(Batchanalyser)(Batchanalyser)

1 Lampe2 Spiegel3 Linsen / Blenden4 Gittermonochromator5 Schrittmotor6 Blende7 Optik8 Referenzdiode9 Küvette10 Filter11 Photodiode


Glukosemessung im LaborGlukosemessung im Labor

P Probe im Kettensystem

K Küvettenring

L Lichtquelle

Ph Photometer

(konventionell arbeitendes System mit Probenzuführung über Ketten)


Glukosemessung im LaborGlukosemessung im Labor(direkte Probenidentifikation)(direkte Probenidentifikation)

1 Auftragskarte2 Probengefäß3 Probenmagazin4 Proben-Dosierer-Verdünner5 Prozeßgefäß6 Reagenzdosierer7 Photometer8 Photometerelektronik9 Computer10 Methodenprogramm11 Testlocher12 Kartenmagazin13 Testleser14 Druckerkartenmagazin15 Resultatdrucker16 Wasserbad17 Flammenphotometer


Glukosemessung im LaborGlukosemessung im Labor

(Prinzip des kontinuierlichen Systems – Continuous Flow System)


2 Home care Geräte2 Home care Geräte

2.1 Invasive Verfahren


Blutige Selbstkontrolle des BlutzuckersBlutige Selbstkontrolle des Blutzuckers


Produkte der Fa. Lifescan, Milpitas (CA) USAProdukte der Fa. Lifescan, Milpitas (CA) USA

OneTouchTMSureStepTM OneTouchTMUltraSmartTM Rückruf: Displayfehler


Produkt von Roche – Produkt von Roche – (früher: Boehringer, Mannheim D)(früher: Boehringer, Mannheim D)

Accu-ChekTM


Produkte von Bayer HealthCare AGProdukte von Bayer HealthCare AG

Glucometer DEXTM2 ContourTM


Schema der pOSchema der pO22-Elektrode nach CLARK-Elektrode nach CLARK




Reaktion von Glukose an GODReaktion von Glukose an GOD



Schaltkreis zur amperometrischen GOD-Schaltkreis zur amperometrischen GOD-GlukosemessungGlukosemessung

A. Thomas, Electron. J. Nanosc. Moletron. 4 (2006) 2, 681-694.




2.2 Minimal-invasive Verfahren


CGMS goldCGMS goldTMTM (Medtronic MiniMed, Minneapolis, USA)(Medtronic MiniMed, Minneapolis, USA)

KontinuierlicheGlukosemessung:

(alle 10 sec. Messung,Mittelung über 5 min.,bis 288 Messwerte pro Tag)

Sensor (1x10mm Platin)liegt subcutanim Bauchbereich,handygroßer Monitor speichert.




Glucose Sensor Profil / Modal Day (CGMSGlucose Sensor Profil / Modal Day (CGMSTMTM) )




Guardcontrol Guardcontrol (Medtronic MiniMed, Minneapolis, USA)(Medtronic MiniMed, Minneapolis, USA)

48 StundenÜberwachungs-dauer


GuarddianRTGuarddianRTTMTM (Medtronic MiniMed, Minneapolis, USA)(Medtronic MiniMed, Minneapolis, USA)

WeiterentwicklungvonCGMS,

alltagstauglich


GlucoDayGlucoDayTMTM (Menarini Diagnostics, Italy)(Menarini Diagnostics, Italy)


Menarini GlucoDayMenarini GlucoDayTMTM - System - System


Glukose-Tagesprofil (GlucoDayGlukose-Tagesprofil (GlucoDayTMTM))


FreeStyle Navigator FreeStyle Navigator (Abbott Diabetes Care, USA)(Abbott Diabetes Care, USA)



2.3 Nichtinvasive Verfahren


2.3 nicht-invasive Verfahren2.3 nicht-invasive Verfahren

- Elektroosmose (Glucowatch)

- NIR

- FIR


GlucoWatch GlucoWatch (Cygnus Therapeutic Systems, USA)(Cygnus Therapeutic Systems, USA)











- NIR


200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 200010

1

102

103

104

105

106

107

(nm)

Ab

sorp

tio

nsk

oef

fizi

ent

(1/c

m)

Hb

HbO2

H2O

Absorption und Eindringtiefe

UV

<1mm

VIS

1mm-10mm

NIR

1cm -5cm

IR

<1mm

Eindringtiefe:

Gewebe



ULBRICHTsche Kugel


ULBRICHTsche Kugel


ULBRICHTsche Kugel


ULBRICHTsche Kugel



- FIR




Schema der HautstrukturSchema der Hautstruktur


Schema einesnichtinvasivenGlukosemessgerätes


Funktion eines Quantenkaskaden-Lasers (QCL)


3 Online Monitore3 Online Monitore




3.1 elektrokatalytisch




3.2 enzymatisch


Enzymatischer Biosensor – Enzymatischer Biosensor – Prinzip der SelektivitätPrinzip der Selektivität





3.3 optisch



Opto-spektroskopisches Glukose - Messprinzip





Zielvorstellung „closed loop“Zielvorstellung „closed loop“

- viele Ansätze, noch keine Lösung

- Glukosemonitore

wie GuardianRT, GlucoDay, FreeStyle

- Ständige Weiterentwicklung

wie DexComSTS, iSense

- Grundsäulen:

elektrokatalytisch, optisch, enzymatisch

- Biosensoren:

neben Enzymsonden auch zellbasierte Sensorik

http://www.diabetes-world.net/742794/neues-aus-der-forschung


GlukosesensorenGlukosesensoren

ENDEENDE

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Spektroskopie – Glukosemessung - Biosensoren Sommersemester 2007